Überleitung der Ergebnisse aus GermanHy in das

Transcription

Überleitung
der Ergebnisse
aus GermanHy
in das
Emissionsberechnungsmodell TREMOD
Schlussbericht Teil II
Wolfram Knörr (IFEU)
Alexander Schacht (IFEU)
Patrick R. Schmidt (LBST)
Werner Weindorf (LBST)
Julia Michaelis (Fraunhofer ISI)
Martin Wietschel (Fraunhofer ISI)
Frank Merten (Wuppertal Institut)
Peter Viebahn (Wuppertal Institut)
Hans Holdik (BASt)
Heidelberg, August 2013 (Stand Dezember 2012)
Kontaktdaten der beteiligten Institute
BASt – Bundesanstalt für Straßenwesen
Brüderstraße 53, D – 51427 Bergisch Gladbach
Tel: +49 (0)2204 43-0, Fax: +49 (0)2204 43-694
E-Mail: [email protected], Website: www.bast.de
Ifeu – Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH
Wilckensstr. 3, D – 69120 Heidelberg
Tel: +49 (0)6221 4767-0, Fax: +49 (0)6221 4767-19
E-Mail: [email protected], Website: www.ifeu.de
ISI – Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung
Breslauer Straße 48, D – 76139 Karlsruhe
Tel: +49 (0)721 6809-0, Fax: +49 (0)721 689 152
E-Mail: [email protected], Website: www.isi.fraunhofer.de
LBST – Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH
Daimlerstr. 15, D – 85521 München/Ottobrunn
Tel: +49 (0)89 608 110-0, Fax: +49 (0)89 609 97 31
E-Mail: [email protected], Website: www.lbst.de
Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH
Döppersberg 19, D – 42103 Wuppertal
Tel: +49 (0)202 2492-0, Fax: +49 (0)202 2492 108
E-Mail: [email protected], Website: www.wupperinst.org
Gefördert durch das
Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und
Brennstoffzellentechnologie (NIP)
Beauftragt vom
Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung
(BMVBS)
Invalidenstraße 44, 10115 Berlin
In Abstimmung mit der
Nationalen Organisation Wasserstoff- und
Brennstoffzellentechnologie (NOW GmbH)
Fasanenstraße 5, 10623 Berlin
Bei dem vorliegenden Dokument handelt es sich um die Zusammenfassung der
Studienergebnisse. Alle Rechte sind vorbehalten. Die Nutzung steht unter dem
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Inhalt
1
2
3
Zusammenfassung ............................................................................................................................. 1
1.1
Aufgabenstellung und Voraussetzungen ................................................................................... 1
1.2
Planung und Ablauf des Vorhabens .......................................................................................... 1
1.3
Grundannahmen, Erkenntnisse und Aussagen .......................................................................... 1
Hintergrund und Aufgabenstellung.................................................................................................... 5
2.1
Studie GermanHy ...................................................................................................................... 5
2.2
Überleitung von GermanHy nach TREMOD ............................................................................ 7
Energieangebots- und Nachfrageszenarien für TREMOD ................................................................ 9
3.1
Fahrzeug- / Energienachfrageszenarien für TREMOD ............................................................. 9
3.1.1
Szenario „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“ .................................................................... 9
3.1.2
Szenario „Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“ .................................................................. 12
3.2
4
Kraftstoffbereitstellungsszenarien für TREMOD ................................................................... 15
3.2.1
Szenario zur Wasserstoffbereitstellung für FCEVs............................................................. 15
3.2.2
Szenario zur Strombereitstellung für BEVs ........................................................................ 19
Vorkettenemissionen und Energieaufwände zur Bereitstellung von Wasserstoff
und Strom im Verkehr ..................................................................................................................... 21
4.1
Bilanzmethodik ....................................................................................................................... 21
4.2
Wasserstoffbereitstellung für Brennstoffzellenfahrzeuge ....................................................... 22
4.2.1
Emissionsfaktoren für Wasserstoffpfade ............................................................................ 22
4.2.2
Emissionsfaktoren für Wasserstoffmix ............................................................................... 22
4.2.3
Energieeinsatz für Wasserstoffmix ..................................................................................... 24
4.3
5
Strombereitstellung für Batteriefahrzeuge .............................................................................. 25
4.3.1
Bilanzmethode Strombereitstellung .................................................................................... 25
4.3.2
Emissionsfaktoren für Strommix ........................................................................................ 26
4.3.3
Vergleich mit anderen Veröffentlichungen ......................................................................... 28
4.3.4
Energieeinsatz für Strommix............................................................................................... 28
Berechnung der Szenarien in TREMOD ......................................................................................... 31
5.1
Berechnungsablauf .................................................................................................................. 31
5.1.1
Übersicht ............................................................................................................................. 31
5.1.2
Fahrzeugbestand und Fahrleistungsverteilung .................................................................... 31
5.1.3
Gesamte Jahresfahrleistung................................................................................................. 33
5.1.4
Emissions- und Verbrauchsfaktoren ................................................................................... 33
5.1.5
Emissionsfaktoren für die Energiebereitstellung ................................................................ 33
5.2
Erweiterung der TREMOD-Struktur ....................................................................................... 34
5.2.1
Segmentierung der Fahrzeuge ............................................................................................. 34
5.2.2
Integration der Fahrzeugkonzepte mit Elektro- und Wasserstoffantrieb............................. 36
5.2.3
Annahmen zur Fahrzeugnutzung und -effizienz ................................................................. 36
5.2.3.1
Übersicht..................................................................................................................... 36
III
5.2.3.2
Fahrzeugbestand und Fahrleistungsverteilung ............................................................37
5.2.3.3
Energieverbrauch und Entwicklung der Energieeffizienz...........................................40
5.2.3.4
Zusammenfassung .......................................................................................................43
5.3
Aufbereitung der Szenarienannahmen für TREMOD .............................................................44
5.3.1
Entwicklung der Gesamtfahrleistung und Aufteilung nach Straßenkategorien ...................44
5.3.2
Entwicklung Fahrzeugbestand und fahrzeugspezifische Fahrleistungen ............................44
5.3.2.1
Szenario „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“ ..........................................................44
5.3.2.2
Szenario „Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“ ..........................................................46
5.4
6
5.4.1
Entwicklung des Energieverbrauchs ...................................................................................49
5.4.2
Entwicklung des Kohlendioxidemissionen .........................................................................50
5.4.3
Entwicklung der Stickstoffoxidemissionen .........................................................................52
5.4.4
Entwicklung der Abgaspartikelemissionen .........................................................................53
5.5
Entwicklung der spezifischen Treibhausgasemissionen ..........................................................53
5.6
Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse.......................................................................54
Ausblick und offene Fragen .............................................................................................................55
6.1
Einsatzmuster und Verbrauchswerte der Fahrzeuge ................................................................55
6.2
Energieszenarien und Kraftstoffvorketten ...............................................................................55
6.3
Emissionsmodell TREMOD ....................................................................................................56
7
Literaturverzeichnis..........................................................................................................................57
8
Anhang .............................................................................................................................................61
8.1
Tabellen zu „Well-to-Tank“ Emissionsfaktoren für Wasserstoffpfade ...................................62
8.2
Beschreibung der Wasserstoffpfadkomponenten ....................................................................75
8.2.1
H2-Produktion......................................................................................................................75
8.2.2
H2-Speicherung in Salzkavernen .........................................................................................79
8.2.3
H2-Verflüssigung .................................................................................................................79
8.2.4
H2-Verteilung ......................................................................................................................83
8.2.5
H2-Tankstellen .....................................................................................................................84
8.3
IV
Ergebnisse Energieverbrauch und Emissionen ........................................................................49
Beschreibung der Strompfade .................................................................................................86
8.3.1
Strom aus Biogas .................................................................................................................86
8.3.2
Strom aus fester Biomasse...................................................................................................87
8.3.3
Strom aus Abfall ..................................................................................................................87
8.3.4
Strom aus Braunkohle .........................................................................................................88
8.3.5
Strom aus Steinkohle ...........................................................................................................89
8.3.6
Strom aus Schweröl .............................................................................................................90
8.3.7
Strom aus Erdgas .................................................................................................................91
8.3.8
Strom aus Kernenergie ........................................................................................................92
8.3.9
Stromtransport und Verteilung ............................................................................................92
Überleitung der Ergebnisse von GermanHy in TREMOD
Tabellenverzeichnis
Tabelle 3-1:
Tabelle 3-2:
Tabelle 3-3:
Tabelle 3-4:
Tabelle 3-5:
Tabelle 3-6:
Tabelle 4-1:
Tabelle 4-2:
Tabelle 4-3:
Tabelle 4-4:
Tabelle 4-5:
Tabelle 5-1:
Tabelle 5-2:
Tabelle 5-3:
Tabelle 5-4:
Tabelle 5-5:
Tabelle 5-6:
Tabelle 5-7:
Tabelle 5-8:
Tabelle 8-1:
Tabelle 8-2:
Tabelle 8-3:
Tabelle 8-4:
Tabelle 8-5:
Tabelle 8-6:
Tabelle 8-7:
Tabelle 8-8:
Tabelle 8-9:
Tabelle 8-10:
Tabelle 8-11:
Tabelle 8-12:
Tabelle 8-13:
Tabelle 8-14:
Tabelle 8-15:
Tabelle 8-16:
Tabelle 8-17:
Tabelle 8-18:
Tabelle 8-19:
Übersicht über Marktstudien und Szenarien zu FCEV-Bestandsentwicklungen....................... 11
Heutige, typische Eigenschaften der betrachteten Antriebssysteme (eigene
Zusammenstellung, Mittelklasse-PKW) ................................................................................... 13
Marktdurchdringung verschiedener Antriebssysteme in Europa für verschiedene Szenarien
(Zahlenquelle: [McKinsey 2011]).............................................................................................. 14
Zuordnung der Fahrzeugklassen zu den Fahrzeugsegmenten in TREMOD .............................. 14
Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Well-to-Tank“ ........................................ 17
Strommix Deutschland entsprechend „Basisszenario 2011 A“, Quelle: [Leitstudie 2011] ....... 20
Emissionen aus Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Well-to-Tank“ ............... 24
Energieeinsatz für die Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Well-to-Tank“ ..... 25
Emissionen aus der Bereitstellung von Strom „Well-to-Tank“ ................................................. 28
CO2-Intensität der Stromerzeugung für Elektromobilität (mit/ohne zusätzlichen EE-Ausbau;
mit/ohne Lademanagement (LM)) im Vergleich zur CO2-Intensität des deutschen Strommixes
[OPTUM 2011, Tab. 18, S. 92] .................................................................................................. 28
Energieeinsatz für die Bereitstellung von Strom „Well-to-Tank“ ............................................. 29
Segmentierung der Pkw nach Größenklassen.......................................................................... 35
Ausgewählte Kennzahlen der Pkw-Neuzulassungen in Deutschland 2010 nach Größenklassen
(Hubraum vs. Kaufsegment) [KBA 2010] ................................................................................. 35
Neue Antriebskonzepte in TREMOD ........................................................................................ 36
Annahmen für die Entwicklung der Energieeffizienz der verschiedenen Pkw-Konzepte bis
2050 mit Bandbreiten aufgrund der Unterschiede für verschiedene Größenklassen und
Straßenkategorien bezogen auf das Jahr 2010 ....................................................................... 42
Zusammenfassung Modellierung der neuen Antriebskonzepte ............................................... 43
Bestandsentwicklung der Pkw nach Antriebskonzepten im Szenario „Brennstoffzellen-PkwKlimaschutz“ ............................................................................................................................ 46
Bestandsentwicklung der neuen Antriebskonzepte ................................................................. 46
Mittlere Jahresfahrleistungen der Pkw nach Fahrzeugkonzept im Szenario „PkwElektromobilität-Klimaschutz“ ................................................................................................. 48
Treibhausgasemissionen „Well-to-Tank“ Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle
„Well-to-Tank“ [g CO2-Äquivalent/MJ] .................................................................................... 62
NMVOC-Emissionen „Well-to-Tank“ Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Wellto-Tank“ [g/MJ] ....................................................................................................................... 64
NOx-Emissionen „Well-to-Tank“ Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Well-toTank“ [g/MJ] ............................................................................................................................ 66
SO2-Emissionen „Well-to-Tank“ Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Well-toTank“ [g/MJ] ............................................................................................................................ 68
CO-Emissionen „Well-to-Tank“ Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Well-toTank“ [g/MJ] ............................................................................................................................ 70
Emissionen Staub und Partikel „Well-to-Tank“ Wasserstoffproduktion, Verteilung und
Tankstelle „Well-to-Tank“ [g/MJ] ............................................................................................ 72
Wasserstoff aus Erdgasdampfreformierung 2020-2050 ......................................................... 76
H2 aus Vergasung von Steinkohle ............................................................................................ 77
Energiebedarf für die Komprimierung des Wasserstoffs ......................................................... 78
Wasserstoff aus Elektrolyse ..................................................................................................... 79
Elektrischer Energiebedarf für die Komprimierung des Wasserstoffs ...................................... 85
Strom aus Biogas ..................................................................................................................... 86
Strom aus fester Biomasse (Holzhackschnitzel) ....................................................................... 87
Strom aus Abfall....................................................................................................................... 88
Strom aus Braunkohle.............................................................................................................. 89
Strom aus Steinkohle ............................................................................................................... 90
Strom aus Schweröl ................................................................................................................. 91
Strom aus Erdgas ..................................................................................................................... 92
Wirkungsrade Stromtransport- und Verteilung in Deutschland .............................................. 92
V
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1
Abbildung 2:
Abbildung 3:
Abbildung 4:
Abbildung 5:
Abbildung 6:
Abbildung 7:
Abbildung 8:
Abbildung 9:
Abbildung 10:
Abbildung 11:
Abbildung 12:
Abbildung 13:
Abbildung 14:
Abbildung 15:
Abbildung 16:
Abbildung 17:
Abbildung 18:
Abbildung 19:
Abbildung 20:
Abbildung 21:
Abbildung 22:
Abbildung 23:
Abbildung 24:
Abbildung 25:
Abbildung 26:
Abbildung 27:
Abbildung 28:
Abbildung 29:
Abbildung 30:
Abbildung 31:
Abbildung 32:
Abbildung 33:
Abbildung 34:
Abbildung 35:
Abbildung 36:
VI
a) Pkw Fahrzeugneuzulassungen gemäß Ergebnissen der Studie TREMOD-GermanHy (linkes
Teilbild) und Veränderungen im Fahrzeuggesamtbestand (rechtes Teilbild) differenziert nach
unterschiedlichen Fahrzeugkonzepten (Benzin-, Diesel-, Brennstoffzellen-, Batterie- und
Hybridfahrzeugen) und Segmenten („große“, „mittlere“, „kleine“ Fahrzeugklasse), Szenario
„Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“
b) TREMOD-GermanHy Szenario „Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“ zur jährlichen PkwFahrleistung, differenziert nach Antriebskonzepten
c) TREMOD-GermanHy Szenario „Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“ für das Reduktionspotential für CO2 aus Pkw im Straßenverkehr bis zum Jahr 2050 auf Basis der in a) und b) aufgezeigten Bestands- und Fahrleistungsszenarien. ........................................................................ 3
Szenarien und Annahmen im GermanHy-Projekt. Quelle: [GermanHy 2009] ........................... 5
Anteile der Primärenergieträger an der Wasserstoffproduktion als Kraftstoff im Verkehr.
Quelle: [GermanHy 2009] .......................................................................................................... 7
Entwicklung des Pkw-Bestands in Deutschland für alternative Antriebe im Szenario
„Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“ ....................................................................................... 11
Marktpenetration von Elektrofahrzeugen (BEVs; PHEVs) im zweiten Bericht der NPE bei
entsprechenden Maßnahmen. Quelle: [NPE 2011a] ............................................................... 13
Marktdurchdringung verschiedener Antriebssysteme in Europa unterteilt nach
Fahrzeugklassen A, B, C, D, E, J, M. Zuordnung siehe folgende Tabelle 3-4 (Zahlenquelle
[McKinsey 2011]) ..................................................................................................................... 14
Entwicklung des Pkw-Bestands in Deutschland für alternative Antriebe im Szenario
„Elektromobilität“ ................................................................................................................... 15
Künftige Wasserstoffproduktion aus Elektrolyse, Vergasung von Biomasse (50 % Stroh, 50 %
Kurzumtrieb) und Kohle sowie Erdgas-Dampfreformierung in Deutschland entsprechend
Szenario „KLI-CCS“ Quelle: [GermanHy 2009] ......................................................................... 16
Stromerzeugung in Deutschland entsprechend „Basisszenario A“ Quelle: [Leitstudie 2011].. 19
Bestimmung des Mix-Emissionsfaktors (EF) für jeden Emissionstyp (k), Technologiepfad (i)
und Zeitschritt (j) für Wasserstoff und Strom .......................................................................... 22
Emissionsfaktoren für CO2 und CO2eq für Wasserstoffmix „Well-to-Tank“ ............................. 23
Emissionsfaktoren von nicht-CO2-Treibhausgasen und Schadstoffen für Wasserstoffmix
„Well-to-Tank“ ........................................................................................................................ 23
Emissionsfaktoren für CO2 und CO2eq für Strommix „Well-to-Tank“ ...................................... 27
Emissionsfaktoren von Nicht-CO2-Treibhausgasen und Schadstoffen für Strommix „Well-toTank“ ....................................................................................................................................... 27
Energieeinsatz für die Bereitstellung von Strom (Quelle: LBST auf Basis Strommix Leitstudie
2011 „Basisszenario A“) .......................................................................................................... 29
Berechnungsablauf Straßenverkehr in TREMOD ..................................................................... 32
Verwendete Überlebenskurven der konventionellen Pkw für die neuen Fahrzeugkonzepte ... 38
Fahrleistungsrelation der Segmente je Straßenkategorie (Benzin klein: 100 %) ..................... 39
Fahrleistungsrelation nach Fahrzeugalter (Neufahrzeuge=Jahr 0: 100 %) ............................. 39
Anteile der Fahrleistung im Elektrobetrieb bei PHEVs 2010-2050........................................... 40
Pkw-Fahrleistungen in verschiedenen Szenarien und Annahmen dieser Studie ...................... 44
Neuzulassungen 2010-2050 im Szenario „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“ ...................... 45
Neuzulassungen und Bestand 2010-2050 im Szenario „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“ . 45
Bestand und Fahrleistung 2010-2050 im Szenario „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“ ....... 46
Neuzulassungen 2010-2050 im Szenario „Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“ ...................... 47
Neuzulassungen und Bestand 2010-2050 im Szenario „Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“ . 47
Bestand und Fahrleistung 2010-2050 im Szenario „Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“........ 48
Endenergieverbrauch 2010-2050 nach Antriebskonzept ........................................................ 50
Endenergieverbrauch 2010-2050 nach Energieträger ............................................................ 50
Kohlendioxidemissionen 2010-2050 nach Antriebskonzept .................................................... 51
Kohlendioxidemissionen 2010-2050 nach Energieträger ........................................................ 51
Kohlendioxidemissionen 2010-2050 nach Prozessabschnitt ................................................... 51
Stickstoffoxidemissionen 2010-2050 nach Antriebskonzept ................................................... 52
Stickstoffoxidemissionen 2010-2050 nach Prozessabschnitt .................................................. 52
PM-Emissionen 2010-2050 nach Antriebskonzept .................................................................. 53
PM-Emissionen 2010-2050 nach Prozessabschnitt ................................................................. 53
Abbildung 37: Spezifische CO2- und CO2eq-Emissionen 2010-2050 nach Prozessabschnitt ............................ 54
Abbildung 38: Druckwechselanlage mit 4 Adsorptionskolonnen [Knoll 1990] ................................................ 75
Abbildung 39: Einsatz des „Absorption Enhanced Reforming“ (AER) für die Produktion von reinem
Wasserstoff .............................................................................................................................. 78
Abbildung 40: Verfahrensflussbild für eine H2-Verflüssigungsanlage mit einer Kapazität von 10 t LH2 pro Tag
[Air Liquide 1996]. .................................................................................................................... 81
Abbildung 41: H2-Verflüssigungsanlage in Leuna mit einer H2-Verflüssigungskapazität von 5 t LH2 pro Tag
(Bild: LBST 2010) ...................................................................................................................... 81
Abbildung 42: Elektrischer Energiebedarf von H2-Verflüssigungsanlagen in Abhängigkeit von der
Produktionskapazität (heutiger Stand der Technik) ................................................................ 82
Abbildung 43: LKW zum Transport von LH2 (Bild: Linde, 2005) ....................................................................... 83
Abbildung 44: CGH2-Tankstelle mit Booster-Kompressor ............................................................................... 84
Abbildung 45: CGH2 mit Booster-Kompressor und H2-Anlieferung über CGH2-Trailer .................................... 84
Abbildung 46: CGH2-Tankstelle mit LH2-Anlieferung und CGH2-Vorkühlung (Quelle: LBST basierend auf Linde
2010 und BMW) ....................................................................................................................... 85
VII
Abkürzungen und Begriffe
a
bbl
BEV
BHKW
BMU
BMVBS
CCS
CH4
CO
CO2
CONCAWE
COPERT
DENA
DLR-ITT
eq
EUCAR
EuroStat
FC
FCEV
FhG-IWES
FZK
GT
GuD
H, H2
HBEFA
HKW
ICE
IEA
Ifeu
IfnE
ISI
JEC
JRC
KWK
LBST
LCA
N, N2
N2O
NMVOC
NOx
PHEV
PM
SO2
THG
TREMOD
TtW
UNECE
WtT
WtW
VIII
Jahr
Barrel (“blue barrel”)
Battery Electric Vehicle (engl., Batterieauto)
Blockheizkraftwerk
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit
Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung
Carbon Capture and Storage bzw. Carbon Capture and Sequestration
Methan
Kohlenmonoxid
Kohlendioxid
The oil companies’ European association for environment, health and safety in refining and distribution
Compilation of Emissions from Road Transport, Software zur Berechnung der Emissionen aus
dem Straßenverkehr, initiiert und gefördert durch die EU/ JRC
Deutsche Energie-Agentur
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Technische Thermodynamik
equivalent (engl., äquivalent, z.B. CO2-Äquivalente)
European Council for Automotive Research and Development, Industrieverband europäischer
Automobilhersteller für Forschung und Entwicklung
Statistisches Amt der Europäischen Union
Fuel Cell (engl., Brennstoffzelle)
Fuel Cell Electric Vehicle (engl., Brennstoffzellenauto)
Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik
Forschungszentrum Karlsruhe
Gasturbine
Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk
Wasserstoff
Handbuch Emissionsfaktoren
Heizkraftwerk
Internal Combustion Engine, Fahrzeug mit Verbrennungsmotor
International Energy Agency, Internationale Energie Agentur
Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg
Ingenieurbüro für neue Energien, Teltow
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung
JRC, EUCAR, CONCAWE
Joint Research Center, Forschungszentrum der Europäischen Union
Kraft-Wärme-Kopplung
Ludwig-Bölkow-Systemtechnik
Life-Cycle Assessment (engl., Lebenszyklusbilanz)
Stickstoff
Distickstoffmonoxid, Lachgas
Non-Methane Volatile Organic Compounds (engl., nicht-flüchtige Kohlenwasserstoffe)
Stick(stoff)oxide
Plug-in Hybrid Electric Vehicle (engl., Hybridauto mit Ladestromanschluss)
Particulate Matter (engl., Partikel)
Schwefeldioxid
Treibhausgase
Transport Emission Model, Software zur Berechnung der Emissionen aus dem Verkehr in
Deutschland, initiiert und gefördert durch das BMU / BMVBS
Tank-to-Wheel
United Nations Economic Commission for Europe
Well-to-Tank
Well-to-Wheel
Kap. 1 Zusammenfassung
1 Zusammenfassung
1.1 Aufgabenstellung und
Voraussetzungen
Ziel des Vorhabens war es, TREMOD (Transport
Emissions Modell), das Verkehrsemissionsmodell
der Bundesregierung, um Szenarien zu erweitern,
die Wasserstoff als Energieträger berücksichtigen. Als Datengrundlage für die TREMODErweiterung waren die - teilweise aktualisierten Ergebnisse der 2009 abgeschlossenen Metastudie
„GermanHy“ zentral. Dabei wurden neben den
direkten Emissionen und Kraftstoff- bzw. Energieverbräuchen auch die der gesamten Energiekette, d.h. die der Vorkette für die Energiebereitstellung, auf Grundlage der Arbeiten in
GermanHy mit einbezogen.
Das Vorhaben wurde vom Institut für Energieund Umweltforschung Heidelberg GmbH (IFEU),
der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik (LBST), dem
Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung (ISI), dem Wuppertal Institut für Klima, Umwelt und Energie und der Bundesanstalt
für Straßenwesen (BASt) durchgeführt.
1.2 Planung und Ablauf des
Vorhabens
Im Rahmen der vorliegenden Studie konnte
TREMOD so überarbeitet werden, dass das Modell die zukünftige Verwendung von Wasserstoff
als Treibstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge im
Verkehr angemessen darstellt. Dazu wurde die
bestehende Datenbankstruktur, die die Fahrzeugschichten und verwendeten Kraftstoffarten abbildet, um Wasserstoff als Energieträger erweitert.
Die Ergebnisse aus den GermanHy-Szenarien
wurden übertragen, wobei eine wesentliche Voraussetzung war, die Konsistenz der zu integrierenden GermanHy- und TREMOD-Szenarien z.
B. in Bezug auf Interaktion mit anderen alternativen Antriebsarten sicherzustellen. Dazu wurde
dasjenige Szenario aus GermanHy als Grundlage
genommen, welches einen ambitionierten
Klimschutz unterstellt („Brennstoffzellen-PkwKlimaschutz“). Um ferner die aktuellen Fahrzeugentwicklungen bei Elektrofahrzeugen (hier
als Batterie- und Hybridfahrzeuge definiert) angemessen abzubilden, wurde dieses Szenario aus
GermanHy auf der Nachfrageseite um ein „Elektromobilität“-Szenario erweitert, das neben Pkw
mit Brennstoffzelle auch batterieelektrische und
Plug-in-Hybrid-Pkw als Konzepte berücksichtigt
(„Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“).
Der Energieeinsatz sowie die Faktoren für die direkten und indirekten Emissionen für Erzeugung
und Verteilung des Wasserstoffs wurden aus den
GermanHy-Daten teils übernommen, teils in aktualisierter Form abgeleitet und in das Modell
implementiert. So waren beispielsweise aus
GermanHy Daten zu den wesentlichen treibhausrelevanten Gasen (CO2, CH4 und N2O) verfügbar.
Ergänzend wurden für die relevanten Prozesse
auch die Emissionen von PM, NOx, SO2, NMHC
und CO recherchiert und implementiert.
Schließlich war für das TREMOD-Modell der
Bestand der Fahrzeuge, seine Zusammensetzung
nach Größenklassen, die erbrachte Fahrleistung
sowie die Menge des verwendeten Wasserstoffs
für die in den Szenarien abzubildenden Jahre zu
definieren. Hierzu wurde die Wasserstoffnutzung
in drei Fahrzeuggrößenklassen aufgefächert. Aufgrund der aktuellen Situation und der Einschätzung der GermanHy-Partner ist es hinreichend,
nur mit komprimiertem Wasserstoff betriebene
Brennstoffzellen-Fahrzeuge abzubilden und Verbrennungsmotoren, die Wasserstoff als Kraftstoff
verwenden, außen vor zu lassen.
Abschließend wurde das Modell mit Hilfe der
beiden Szenarien „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“ und „Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“
für den Zeitraum bis zum Jahr 2050 erfolgreich
auf Funktionalität und Plausibilität getestet.
Mit dem Modell TREMOD ist es nun für alle
Anwender möglich, Abgasemissionen und Energieverbräuche des Verkehrs unter Annahme unterschiedlicher Flottenzusammensetzungen und
Anteile von Brennstoffzellenfahrzeugen in Abhängigkeit vom gewählten Energiemix zu berechnen.
1.3
Grundannahmen, Erkenntnisse
und Aussagen
Welche Szenarien zur Marktdurchdringung
der neuen Antriebstechnologien wurden zugrunde gelegt?
Das Szenario „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“ mit hoher Marktdurchdringung aus
GermanHy wird unter heutiger Sicht als zu optimistisch angesehen und der Markthochlauf
für Brennstoffzellenfahrzeuge wurde entsprechend gesenkt. Es ergeben sich hieraus für
2020 0,5 Mio. FCEVs. Für 2030 erhöht sich
der Anteil auf 5,6 Mio. FCEVs.
1
Das
Szenario
„Pkw-ElektromobilitätKlimaschutz“ basiert auf den Vorgaben der
Bundesregierung bzgl. der Anzahl an Elektrofahrzeugen und einer internationalen Studie
von McKinsey bzgl. der Anzahl an Brennstoffzellenfahrzeugen. Es ergeben sich hieraus für
2020 1 Mio. Elektrofahrzeuge (40 % BEVs
und 60 % PHEVs) und 200.000 FCEVs. Für
2030 erhöht sich der Anteil auf 6 Mio.
BEVs/PHEVs und 2 Mio. FCEVs.
Wie entwickelt sich die Energieeffizienz der
verschiedenen Fahrzeugkonzepte?
Als Treiber für die Steigerung der Energieeffizienz der Fahrzeuge wurden die politischen
Ziele für die Reduktion der Treibhausgasemissionen im Verkehrssektor angelegt. Diese unterstellen, dass der für die EU diskutierte Flottenzielwert von 95 g/km für 2020 erreicht wird
[EU-KOM 2009].
Da die konventionellen Pkw bis 2020 den wesentlichen Beitrag zur Zielerreichung leisten
müssen, nimmt deren spezifischer Energieverbrauch zwischen 2010 und 2020 um rund ein
Viertel ab. Für die Jahre nach 2020 wird eine
weitere jährliche Minderung von 1,2 %/Jahr
angenommen. Bis zum Jahr 2050 halbiert sich
dadurch der spezifische Energieverbrauch der
konventionellen Fahrzeuge gegenüber 2010.
Auch bei den Elektrofahrzeugen (Batterie- und
Hybridfahrzeuge) und Brennstoffzellenfahrzeugen werden bis 2050 Effizienzsteigerungen
angenommen, so dass deren spezifischer Energieverbrauch gegenüber aktuellen Fahrzeugen
um ca. ein Drittel niedriger liegt.
Welche Umweltwirkungen sind mit der Bereitstellung von Wasserstoff und Strom im Rahmen einer Energiewende im Verkehr verbunden?
Für die Berechnung der Energievorketten wurde der Strommix nach [Leitstudie 2011] „Basisszenario A“ und der Wasserstoffmix nach
[GermanHy 2009] „Klimaschutz mit CCS“
(KLI-CCS) angenommen. Das Wasserstoffszenario KLI-CCS berücksichtigt zwar den
Kernenergieausstieg, bedarf jedoch der Überarbeitung aufgrund neuerer energiepolitischer
Entwicklungen, wie z.B. der stark umstrittenen
Akzeptanz für CO2-Speicherung und Endlagerung (CCS) in Deutschland, steigender Energiepreise, etc.. Im Rahmen dieser Arbeit war
eine neue Modellierung des H2-Szenarios nicht
möglich, die Wasserstoffpfade konnten dessen
ungeachtet um neue Entwicklungen beim Wasserstofftransport erweitert werden.
Mit einem Lebenszyklusbilanzierungstool
wurden Energieaufwand, Treibhausgasemissionen und Schadstoffemissionen für Einzelpfa2
de sowie die sich daraus ergebenden Energiemixe berechnet.
Die Ergebnisse zeigen, dass mit weiteren Verbesserungen auf Seiten des Fahrzeugantriebs
die Umweltwirkungen der Kraftstoffbereitstellung im Vergleich zu den Umweltwirkungen
bei der Kraftstoffnutzung an Bedeutung gewinnen.
Gegenläufige Entwicklungen in verschiedenen
Umweltwirkungskategorien weisen darauf hin,
dass ein einzelner Indikator (z.B. Treibhausgase) für eine robuste Bewertung von Energieketten alleine nicht ausreicht. Im Vergleich zum
Einsatz erneuerbarer Energien für die Wasserstofferzeugung führt die Nutzung von Steinkohle in Kombination mit CCS (CO2Abscheidung und –Speicherung) zu signifikant
höheren
nicht-erneuerbaren
Energieaufwendungen. Außerdem steigen die mit der
Kohlegewinnung
verbundenen
Methan-,
Schwefeldioxid- sowie Staub- / Partikelemissionen.
Das GermanHy-Wasserstoffszenario KLI-CCS
bedarf dringend der Aktualisierung. Alternativ
könnte das GermanHy-Szenario „begrenzte
Energieressourcen“ (RES) angelegt werden.
Um das RES-Szenario in TREMOD abbilden
zu können, müssten jedoch die Szenarien für
die Kraftstoffnachfrage angepasst werden.
Über die aktuell berücksichtigten technischen
Effizienzverbesserungen im Fahrzeug hinaus
wäre auch die Berücksichtigung von Mobilitätsaspekten wie Verkehrsverlagerung (Modal
Split) und Verkehrsvermeidung (Suffizienz)
notwendig.
Welche Reduktion der Klimagasemissionen
lässt sich bis 2050 erreichen?
Die folgenden Abbildungen zeigen beispielhaft
für das Szenario „Pkw-ElektromobilitätKlimaschutz“ wesentliche Annahmen zur
Markteinführung der neuen Fahrzeugkonzepte,
die daraus resultierende Entwicklung der Fahrzeugbestände und Fahrleistungen, sowie als
Ergebnis die Entwicklung der CO2Emissionen. Die Konsequenz eines bis zum
Jahr 2050 weitgehend auf Brennstoffzellen-,
Plug-in-Hybrid- und batterieelektrischen Antrieb umgestellten Pkw-Verkehrs ist eine Reduktion der CO2-Emissionen um mehr als 100
Mio t gegenüber dem heutigen Stand, was einem Rückgang von mehr als 80 % der durch
Pkw erzeugten Treibhausgase entspricht. In
dem an GermanHy angelehnten Szenario
„Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“, das nur
Fahrzeuge mit Brennstoffzellen als Ersatz der
konventionellen Fahrzeuge unterstellt, wird eine ähnliche Minderung der CO2-Emissionen
erreicht.
Neuzulassungen nach Segment
3,5
Bestand nach Segment
Neuzulassungen in Mio. Fzg.
50
3,0
Bestand in Mio. Fzg.
40
2,5
2,0
30
1,5
20
1,0
10
0,5
0,0
2010 2015
Diesel - klein
Benzin - mittel
FCEV - groß
PHEV - klein
2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Diesel - mittel
Diesel - groß
Benzin - klein
Benzin - groß
FCEV - klein
FCEV - mittel
BEV - klein
BEV - mittel
BEV - groß
PHEV - mittel
PHEV - groß
0
2010
2015
Diesel - klein
Benzin - mittel
FCEV - groß
PHEV - klein
2020
2025
2030
Diesel - mittel
Benzin - groß
BEV - klein
PHEV - mittel
2035
2040
Diesel - groß
FCEV - klein
BEV - mittel
PHEV - groß
2045
2050
Benzin - klein
FCEV - mittel
BEV - groß
Abbildung 1a): Pkw Fahrzeugneuzulassungen gemäß Ergebnissen der Studie TREMOD-GermanHy (linkes Teilbild) und Veränderungen im Fahrzeuggesamtbestand (rechtes Teilbild) differenziert nach unterschiedlichen
Fahrzeugkonzepten (Benzin-, Diesel-, Brennstoffzellen-, Batterie- und Hybridfahrzeugen) und Segmenten („große“, „mittlere“, „kleine“ Fahrzeugklasse), Szenario „Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“
Fahrleistung nach Antriebsart
700
CO2-Emissionen nach Antriebsart
Fahrleistung in Mrd. km
140.000
600
120.000
500
100.000
400
80.000
300
60.000
200
40.000
100
20.000
CO2 in kt
0
0
2010
Diesel
2020
Benzin
2030
FCEV
2040
BEV
2050
PHEV
2010
Diesel
2020
Benzin
2030
FCEV
2040
BEV
2050
PHEV
Abbildung 1b): TREMOD-GermanHy Szenario „PkwElektromobilität-Klimaschutz“ zur jährlichen PkwFahrleistung, differenziert nach Antriebskonzepten
Abbildung 1c): TREMOD-GermanHy Szenario
„Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“ für das Reduktionspotential für CO2 aus Pkw im Straßenverkehr
bis zum Jahr 2050 auf Basis der in a) und b) aufgezeigten Bestands- und Fahrleistungsszenarien
Welche Aussagekraft haben die Szenarienergebnisse und welche Anforderungen ergeben
sich an die weitere Szenarienmodellierung?
be aus heutiger Sicht beschränkter als beim
Pkw.
Die Szenarienergebnisse zeigen, dass unter der
Prämisse der getroffenen Annahmen für den
Pkw-Verkehr in den beiden Szenarien zwischen 2010 und 2050 deutliche Minderungen
beim Energieverbrauch, den Treibhausgasemissionen und wichtigen Luftschadstoffemissionen erreicht werden können. Die breite
Markteinführung von Brennstoffzellen-, Plugin-Hybrid- und batterieelektrischen Fahrzeugen
ermöglicht die Umweltvorteile.
Die Minderungspotenziale des Pkw-Verkehrs
sind aus heutiger Sicht relativ hoch, da eine
Vielzahl technischer Möglichkeiten bei den
Antrieben und der Energieerzeugung zur Verfügung steht.
Es ist daher zu empfehlen, alle Verkehrsträger
in die Szenarienrechnungen mit einzubeziehen,
um die Minderungspotenziale und die Energiebedarfe des gesamten Verkehrs abschätzen zu
können. Interaktionen zwischen den Sektoren
Energie, Verkehr und den übrigen Verbrauchssektoren spielen zukünftig eine große Rolle
und sollten bei der Entwicklung von Szenarien
stets berücksichtigt werden. Wasserstoff kann
sowohl als Kraftstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge wie auch als stationärer Energiespeicher
eingesetzt werden und somit eine zentrale Rolle spielen.
In anderen Verkehrsbereichen, vor allem beim
Straßengüterverkehr, beim Flugverkehr und
der Schifffahrt sind die Möglichkeiten zur Umstellung auf regenerative Energien und Antrie3
4
Kap. 2 Hintergrund und Aufgabenstellung
2 Hintergrund und Aufgabenstellung
Im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr
Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) und begleitet durch die Nationale Organisation Wasserstoffund
Brennstoffzellentechnologie
(NOW GmbH) wurde 2007-2008 unter dem Titel „GermanHy“ von der Deutschen Energieagentur (DENA), dem Forschungszentrum
Karlsruhe (FZK), dem FhG-ISI, der LudwigBölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) und dem
Wuppertal Institut eine Wasserstoff-Roadmap
für Deutschland erstellt. Im Jahr 2009 setzte die
Bundesregierung im Rahmen des Nationalen
Entwicklungsplans Elektromobilität das Ziel
von 1 Million Elektrofahrzeuge bis 2020 in
Deutschland.
Für die Abschätzung der zukünftigen Emissionen aus dem Fahrzeugmix in Deutschland sollte
das von der Bundesregierung und weiteren Akteuren im Verkehrssektor verwendete Emissionsmodell TREMOD (Transport Emission Model) um Brennstoffzellenfahrzeuge erweitert
werden. Zu diesem Zweck finanzierte das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und
Brennstoffzellentechnologie (NIP) das Projekt
„Überleitung der Ergebnisse aus GermanHy in
das Emissionsrechenmodell TREMOD”. Hierbei
waren die Basisdaten, Szenarien und Ergebnisse
aus GermanHy für das TREMOD-Modell aufzubereiten und wo nötig zu ergänzen.
2.1
Studie GermanHy
Bei der Studie „GermanHy“ handelt es sich um
eine Roadmap zur Bereitstellung von
Abbildung 2:
Wasserstoff als
Deutschland.
Verkehrsenergieträger
in
Zur Beantwortung der Studienleitfrage „Woher
kommt der Wasserstoff bis 2050?“ wurden drei
verschiedene, in sich jeweils konsistente, Szenarien für den Zeitraum von 2000 bis 2050 gewählt: „Moderate Entwicklung“, „Klimaschutz“
und Ressourcenverknappung“ (siehe hierzu und
zum Folgenden [GermanHy 2009]).
Die Szenarien unterscheiden sich durch jeweils
eigene Annahmen und Rahmensetzungen und
bilden eine Bandbreite verschiedener Entwicklungstrends ab, die vor wenigen Jahren vorherrschend waren. Sie decken aber nicht alle der
heutigen Entwicklungstrends, wie z. B. die Strategien zur Einführung von Elektrofahrzeugen in
Deutschland ab. Die Daten und Annahmen für
die Szenarien wurden aus vorliegenden anerkannten Studien übernommen, wo nötig angepasst und um eigene Daten und Annahmen ergänzt. Für die Szenarien „Moderate Entwicklung“ und „Klimaschutz“ dienten die Analysen
und Szenarien aus [EWI/prognos 2005] und
[BMU 2007] als Basis. Das Szenario „Ressourcenverknappung“ (das heißt, die Verfügbarkeit
von Primärenergie betreffend) basiert angebotsseitig auf Analysen der LBST [LBST 2007] und
nachfrageseitig (das heißt die Endenergienachfrage betreffend) auf [Prognos 2007; WI 2006].
Einen zusammenfassenden Überblick über die
zentralen Hintergründe und Annahmen der drei
Szenarien gibt die folgende Abbildung.
Szenarien und Annahmen im GermanHy-Projekt. Quelle: [GermanHy 2009]
5
Das Szenario „Moderate Entwicklung“ ist eine
Fortschreibung längerfristiger, vergangener
Entwicklungen im Sinne von „Business as
usual“. Das Szenario „Moderate Entwicklung“
wurde aus dem Referenz-Szenario der BMULeitstudie [BMU 2007] abgeleitet, welches auf
der Trendprognose des Energiereports IV
[EWI/prognos 2005] aufbaut. Die Daten wurden im Rahmen von GermanHy geringfügig
angepasst und bis zum Jahr 2050 fortgeschrieben; dabei wurden einige wesentliche Parameter an aktuelle Entwicklungen angepasst. Zum
Beispiel wurde für das Jahr 2020 ein realer
Ölpreis in Höhe von 54 $/bbl unterstellt. Dies
erscheint aus heutiger Sicht sehr niedrig und
wenig realistisch. Die Annahme im GermanHySzenario folgte damit aber der unter manchen
Experten vorherrschenden Meinung, dass sich
das Ölpreisniveau wieder reduzieren würde,
dass die aktuellen Preisentwicklungen teilweise
spekulationsbedingt seien und bei höheren
Preisen bisher nicht wirtschaftliche Ölvorkommen erschlossen würden. Zudem wurden konservative Mindestziele für die Reduktion von
Treibhausgasen und die Steigerung des Anteils
erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch
unterstellt. Das Szenario „Moderate Entwicklung“ ist demnach durch geringen Änderungsbeziehungsweise Handlungsdruck und leichte
Steigerungen der Energieeffizienz und des Anteils erneuerbarer Energien gekennzeichnet.
Von allen drei Szenarien bietet es prinzipiell
den größten Spielraum für die Herstellung von
Wasserstoff für den Verkehrssektor.
Das Szenario „Klimaschutz“ ist gekennzeichnet
durch schärfere Vorgaben bei der Reduzierung
der Treibhausgasemissionen: bis 2020 müssen
– so die getroffene Annahme – die CO2Emissionen um 40 Prozent reduziert werden,
bis 2050 um 80 Prozent (Basisjahr 1990). Wesentliche Parameter wie zum Beispiel Energiepreise und Verkehrsleistungen entsprechen den
Annahmen des Szenarios „Moderate Entwicklung“. Demnach besteht im Vergleich zum
Szenario „Moderate Entwicklung“ ein größerer
Handlungs- und Änderungsdruck in Richtung
Klimaschutzmaßnahmen. Auf der Nachfrageseite werden in allen Sektoren deutlich mehr
Anstrengungen und Erfolge bei der Steigerung
der technischen Effizienz unterstellt. Auf der
Angebotsseite wird ein stärkerer Ausbau erneuerbarer Energien beziehungsweise eine breite
Einführung von Technologien zur Abscheidung
und Speicherung von CO2 (CCS) für die CO2arme Nutzung fossiler Brennstoffe zur Stromund gegebenenfalls auch zur Wasserstoffpro-
6
duktion angenommen. Das Szenario „Klimaschutz“ wurde aus dem Leitszenario der BMULeitstudie [BMU 2007] abgeleitet und ebenfalls
teilweise an aktuelle Entwicklungen sowie Anforderungen von GermanHy angepasst.
Das Szenario „Ressourcenverknappung“ geht
von einer drastischen Reduktion der Primärenergieverfügbarkeit aus. Das bedeutet stark
steigende Energiepreise und nicht steigerbare
Ölfördermengen. Von einer vollständigen Deckung der wachsenden Nachfrage nach Energierohstoffen kann – im Gegensatz zu den beiden erstgenannten Szenarien – nicht mehr
selbstverständlich ausgegangen werden. Die
weitere Nutzung von fossilen Brennstoffen
wird zunehmend stark eingeschränkt. So steht
Erdöl in Deutschland ab 2030 nur noch sehr beschränkt zur Verfügung. Demzufolge wurden
für dieses Szenario auf der Grundlage des aktuellen Preisniveaus schnell ansteigende Preise
für fossile Primärenergieträger (zum Beispiel
248 $/bbl in 2020 beim Erdöl) angenommen.
Daraus folgt, dass erneuerbare Energien in diesem Szenario deutlich schneller konkurrenzfähig werden als im Szenario „Klimaschutz“ und
daher intensiv ausgebaut werden. Zudem steigen die Anreize beziehungsweise Zwänge zur
Umsetzung von Maßnahmen zur Effizienzsteigerung, so dass parallel zum Ausbau der erneuerbaren Energien mit einer noch intensiveren
Erschließung der technischen Einsparungspotenziale (früher und in größerem Umfang) gerechnet wird. Das Szenario „ Ressourcenverknappung“ basiert auf Analysen zur Primärenergieverfügbarkeit von [LBST 2007]. Andere
zentrale Szenarioannahmen wurden aus den
vorgenannten Szenarien übernommen (zum
Beispiel Mindestanforderungen an die CO2Minderung aus dem Szenario „Moderate Entwicklung“).
Für alle Szenarien wurde exogen als Studienvorgabe gesetzt, dass mindestens 50 % der
Wasserstoffproduktion auf erneuerbaren Energien basieren muss.
Abbildung 3 zeigt, welche Anteile von Wasserstoff auf welchen Primärenergien basieren. Für
eine weiterführende Darstellung der Szenarien
aus dem GermanHy-Projekt wird auf
[GermanHy 2009] verwiesen.
Abbildung 3:
2.2
Anteile der Primärenergieträger an der Wasserstoffproduktion als Kraftstoff
im Verkehr. Quelle: [GermanHy 2009]
Überleitung von GermanHy
nach TREMOD
Wasserstoff als Energieträger der Zukunft
Der Energieträger Wasserstoff und die Themen
„Elektromobilität“ und „Bio-Kraftstoffe“ sind
Teile eines ganzen Bündels von Handlungsoptionen, auf die die Bundesregierung beim Übergang zu einer klimaneutralen und nachhaltigen
Mobilität setzt. Um einem undifferenzierten Nebeneinander unterschiedlicher Energieoptionen
und Handlungsfelder entgegenzuwirken, hat das
BMVBS unlängst das Projekt zur „Mobilitätsund Kraftstoffstrategie“ (MKS) gestartet. Ziel ist
es, Fachexpertise umfassend zusammenzustellen, unterschiedliche Aktivitäten zu bündeln und
Partner zielgerichtet einzubringen, um schließlich eine konsistente und nachhaltige Strategie
für die Mobilität der Zukunft zu entwerfen. Die
Treibstoff-Alternative „Wasserstoff“ wird speziell im „Entwicklungsplan Verkehr“ des „Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und
Brennstoffzellentechnologie“ verfolgt. Im Zentrum des Interesses stehen technische Entwicklungen, die bei erfolgreicher Markteinführung
einen signifikanten Beitrag zur Versorgungssicherheit, zur Effizienzsteigerung und zur CO2Reduktion leisten.
Welche Einsparziele bei der CO2 Reduktion im
Verkehr sind erreichbar?
Die GermanHy-Studie hatte im Vorfeld Herstellung und Verteilerwege für Wasserstoff aufgezeigt und unterschiedliche Szenarien für die
schrittweise Einführung des Energieträgers im
Straßenverkehr vorgestellt. Allerdings konnte
GermanHy das Einstiegsszenario in das Wasserstoff-Zeitalter lediglich pauschal in Form eines
Gesamtenergiebedarfs für den Straßenverkehr
angeben, der im Kern auf den Prognosen zur
Fahrleistungsentwicklung aus der Leitstudie
2010 [Leitstudie 2010] basiert. Doch welche
konkreten Einführungsszenarien müsste man für
Brennstoffzellenfahrzeuge für die nächsten Jahre fordern, mit welcher Dynamik würden sich
die Fahrzeuge dann im Bestand entwickeln und
wie sähe die Zusammensetzung der Fahrzeugflotte im Feld aus, um die Prognosen der
GermanHy-Studie bis ins Jahr 2050 zu erfüllen?
Und schließlich, kann man heute schon die zu
erwartenden Einsparungen bei der CO2Emission im Verkehrsbereich beziffern?
Hier setzt nun die vorliegende Untersuchung
TREMOD-GermanHy an, um Antworten auf
diese Fragen formulieren zu helfen. Das Verkehrsemissionsmodell TREMOD stellt die notwendigen simulationstechnischen Voraussetzungen zur Verfügung, um das WasserstoffSzenario auf Basis eines differenzierten Mengengerüsts von Brennstoffzellen-Fahrzeugen unterschiedlicher Segmente aufzustellen (Vergleiche Kap. 5).
TREMOD geht in seinen Ursprüngen auf eine
im Auftrag des Umweltbundesamtes (UBA)
vom Heidelberger Ifeu Institut ausgeführte Programmentwicklung zurück. In seiner jeweils
neuesten Version liefert TREMOD die Grundlage für die offizielle Emissionsberichterstattung
der Bundesregierung (Nationales Emissionsinventar des UBA) und basiert in seinem Datenbestand unter anderem auf Datenbanken des Kraft7
fahrtbundesamtes (KBA) und der AG Energiebilanzen (AGEB), auf Untersuchungen wie z. B.
„Mobilität in Deutschland“ [MiD 2008] und
„Verkehr in Zahlen“ [ViZ 2012], auf den von
der Bundesanstalt für Straßenwesen verantworteten Fahrleistungserhebungen [BASt 2002] und
auf Daten der automatischen Dauerzählstellen
auf Autobahnen. Als Datenbankexpertensystem
stellt TREMOD seit mehr als 15 Jahren den
Benchmark in Bezug auf die bilanzierende Verkehrsemissionsmodellierung in Deutschland dar.
In TREMOD ist nicht nur der gesamte deutsche
Fahrzeugbestand nach Fahrzeugsegmenten und
Klassen in Jahresscheiben unterteilt hinterlegt,
sondern auch die spezifischen Fahrleistungen
und Emissionen der Fahrzeuge, inklusive der bei
der Treibstoffherstellung emittierten Emissionen
(Vorkette). Darüber hinaus fließen bei der Berechnung der Fahrleistungen nach Segmenten
auch empirische Erkenntnisse ein, sog. Fahrleistungsrelationen, die z.B. besagen, dass neue
Pkw eine höhere jährliche Kilometerleistung
aufweisen als ältere, Oberklasse-Pkw höhere als
Fahrzeuge aus dem Kompaktsegment, DieselFahrzeuge höhere als Ottofahrzeuge usw.. Emissionen und Verbräuche werden im Modell dergestalt ermittelt, dass je Fahrzeugsegment die
jeweiligen Fahrleistungen nach Verkehrssituation, Straßenkategorie und Längsneigung differenziert behandelt und im Anschluss aggregiert
werden.
Im Trendszenario werden Fahrzeugbestand und
Fahrleistungen jahresfein fortgeschrieben. Hierbei wird der Bestand nach einem Umschichtungsmodell berechnet, worin die typischen
Überlebenskurven der verschiedenen Fahrzeug-
8
segmente eingehen. Es lässt sich dadurch z. B.
ein Verdrängungsvorgang abbilden, der das
Ausschleusen von Altfahrzeugen durch Ersatz
mit Fahrzeugen neuer Antriebstechnologie beschreibt.
Zentrale Aufgabe des Projektes TREMODGermanHy war es nun, das WasserstoffVerkehrsszenario aus der Vorstudie GermanHy
in einen zwar fiktiven, aber hinsichtlich seiner
spezifischen Fahrleistungen und Verbrauchsdaten konkreten, zukünftigen Fahrzeugbestand
umzusetzen. TREMOD musste hierfür so überarbeitet werden, dass es die zukünftige Verwendung von Wasserstoff im Verkehr angemessen
darstellen kann. Hierfür war es notwendig, die
bestehende Struktur von Fahrzeugschichten und
verwendeten Kraftstoffarten in Bezug auf Wasserstoff zu erweitern. Die bestehenden
GermanHy-Szenarien-Ergebnisse wurden dann
in TREMOD überführt.
Mit Hilfe einer Reihe plausibler Annahmen für
die bei Brennstoffzellenfahrzeugen zu erwartenden Fahrzeugsegmente, deren technische Eigenschaften (Verbrauch, Überlebenskurven) sowie
des zu erwartenden Halterverhaltens (Brennstoffzellenfahrzeuge als Ersatzbeschaffung für
konventionelle Altfahrzeuge) ließ sich die neue
Pkw-Fahrzeugflotte in Gestalt von 3 Segmenten
(„klein“, „mittel“, „groß“) sukzessive in den Bestand bringen (Vergleiche Kap. 5.2). Hierbei
war es wichtig, die Konsistenz der zu integrierenden Szenarien z. B. in Bezug auf Interaktion
mit anderen alternativen Antriebsarten, Primärenergieverfügbarkeit und ökonomische Grundannahmen sicherzustellen.
Kap. 3 Energieangebots- und Nachfrageszenarien für TREMOD
3 Energieangebots- und Nachfrageszenarien für TREMOD
Wie in Kapitel 2 ausgeführt, basieren die in der Studie GermanHy verwendeten Szenarien für die Nachfrage nach Energie und Kraftstoffen auf der Auswertung von Grundannahmen, Entwicklungspfaden und
Parametern einschlägiger Studien. Ausführliche eigene Szenarien wurden in GermanHy insbesondere
für die Angebotsseite von Primärenergien und Kraftstoffen entwickelt.
Die Überleitung der Annahmen und Ergebnisse von GermanHy nach TREMOD versucht so weit als
möglich die in GermanHy verwendeten und entwickelten Szenarien zu übernehmen. Dabei wurden zum
Teil – sofern im Rahmen dieser Arbeit machbar – Aktualisierungen vorgenommen bzw. waren Anpassungen an die Modellstruktur von TREMOD notwendig. Diese werden im Folgenden explizit benannt.
3.1
Fahrzeug- / Energienachfrageszenarien für TREMOD
Die angestrebten Ziele der Verringerung der
Emissionen an Treibhausgasen insgesamt und
der Effizienzsteigerung bzw. Primärenergieeinsparung im Verkehrssektor lassen sich rein
technisch nur durch gegenüber heutigem Standard erheblich effizientere Kraftfahrzeuge erreichen. Neben optimierten konventionellen Antrieben und Fahrzeugen sind dazu neue Antriebs- und Fahrzeugkonzepte erforderlich, bei
denen Elektromotoren mittels Brennstoffzelle
(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle) oder Batterie- bzw. Hybridantrieben (BEV oder
HEV/PHEV, Battery Electric Vehicle bzw.
Hybrid/ Plugin-Hybrid Vehicle) betrieben werden. Die folgenden beiden Abschnitte erläutern
die jeweils unterstellten Szenarien bezogen auf
Markteinführung und -entwicklung. Die verwendeten Annahmen zu und resultierenden
Entwicklungen von Neuzulassungen, Fahrleistungen und Verbräuchen werden in Kapitel 5.2.3
dargestellt.
3.1.1
Szenario
„Brennstoffzellen-PkwKlimaschutz“
Als Technologie für Pkw-Brennstoffzellenfahrzeuge kommen ausschließlich PEM1Brennstoffzellensysteme zum Einsatz, die Gesamtwirkungsgrade (vom Tank bis zum Rad)
von bis zu 56 % ermöglichen [McKinsey 2011].
Die höchsten Wirkungsgrade werden dabei im
Teillastbetrieb erreicht, der innerorts die Fahrweise bestimmt. FCEVs sind trotz höherer Um-
wandlungsverluste in der Vorkette2 insgesamt –
von der Energiequelle bis zum Rad – deutlich
effizienter als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Dies gilt besonders für die Betrachtung im
Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ). In realitätsnäheren Fahrzyklen ist der Vorteil jedoch
wesentlich geringer ([LBST 2002]; [WI 2006]).
Ein deutlich größerer Vorteil von FCEVs gegenüber konventionellen Fahrzeugen lässt sich
im Hinblick auf die Verringerung von Treibhausgas-Emissionen erzielen, wenn für die Herstellung des Wasserstoffs Strom aus erneuerbaren Energien verwendet wird. Darüber hinaus
werden durch FCEVs lokal keine Luftschadstoffe ausgestoßen.
Der Antrieb von FCEVs ist dagegen im Vergleich zu Verbrennungsmotoren technisch weniger ausgereift und vor allem noch erheblich
teurer. Derzeit wird die Alltagstauglichkeit kleiner Flotten von Vorserienfahrzeugen verschiedener Automobilhersteller erprobt. Die Reichweite von FCEVs (vgl. Tabelle 3-2 auf S. 13) ist
heute noch geringer als die konventioneller
PKW. 3 Zudem fehlt es bislang an einer flächendeckenden Tankstelleninfrastruktur, die voraussichtlich erst im Zuge einer erfolgreichen
Markteinführung aufgebaut wird.
Vor diesem Hintergrund ist es nicht verwunderlich, dass in vielen der für Verkehr und Energie
entwickelten Szenarien der Einsatz von Wasserstoff und FCEVs keine oder nur eine sehr geringe Rolle spielt. In den letzten Jahren sind jedoch
2
3
1
PEM: Polymerelektrolytmembran
Wirkungsgrad von alkalischer Elektrolyse ca.
70% [Smolinka et al. 2011] bezogen auf den
unteren Heizwert von Wasserstoff.
Durch Ausstattung mit größeren Wasserstofftanks sind herkömmlichen Fahrzeugen vergleichbare Reichweiten jedoch durchaus realisierbar.
9
mehrere spezielle Studien über Wasserstoff als
Kraftstoff veröffentlicht worden, die Wasserstoff langfristig eine relevante oder sogar bedeutende Rolle im Verkehrssektor zuweisen. Dazu
gehören die Arbeiten der Internationalen Energieagentur (IEA) [IEA 2005], des im 6. Forschungs-Rahmenprogramms der Europäischen
Union verankerten HyWays-Projektes zur Erarbeitung einer Roadmap für Wasserstoff
[HyWays 2007] und die sogenannte ‚Coalition
Study‘von McKinsey „A portfolio of powertrains for Europe: a fact-based analysis – The
role of Battery Electric Vehicles, Plug-in
Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles“
[McKinsey 2011].
Diese Studien spannen eine große Bandbreite an
möglichen Marktdurchdringungen mit Brennstoffzellenfahrzeugen (FCEVs) auf (vgl. Tabelle
3-1).Voraussetzung ist dabei, dass die heutigen
Differenzkosten zu konventionellen Fahrzeugen
deutlich gesenkt werden können, z.B. durch
Lernkurven- und Skaleneffekte.
Unter den für die Entwicklung von Wasserstofffahrzeugen positiven Annahmen ist nach den
Analysen der oben genannten IEA-Studie in
zwei von vier Szenarien mit einer signifikanten
Marktdurchdringung von H2-Fahrzeugen zu
rechnen. Dabei werden in der Studie neben
FCEVs auch verbrennungsmotorische Fahrzeuge, die Wasserstoff einsetzen, betrachtet. In
Szenario B, in dem eine niedrigere Marktpenetration von H2-Fahrzeugen unterstellt wird, werden im Jahre 2030 rund 3 % und im Jahre 2050
rund 10 % der Fahrzeuge mit Wasserstoff betrieben. Demgegenüber werden in Szenario D
mit höheren Penetrationsraten weltweit rund 12
% im Jahre 2030 und gut 30 % im Jahre 2050
erreicht. Beide Szenarien gehen davon aus, dass
zum einen die Kosten für die Wasserstofferzeugung deutlich fallen (Reduktion um Faktor drei
bis zehn, je nach Technologie) und zum anderen
die Preise für Brennstoffzellen sinken (Reduktion um Faktor zehn) werden. Abhängig von den
Preisen für fossile Brennstoffe wird außerdem
eine Besteuerung von CO2-Emissionen in Höhe
von 25 bis 50 US-Dollar pro Tonne angenommen.
Von einer noch schnelleren Marktdurchdringung
geht das europäische Projekt HyWays in seinen
Szenarien aus (vgl. Tabelle 3-1). Im Falle des
Szenarios mit „sehr geringer politischer Unterstützung und langsamem technologischen Fort-
10
schritt“ kommt es in Europa zu einer Penetration
von rund 2 % im Jahre 2030 und zu einem Anteil von rund 36 % im Jahr 2050. In dem bezüglich der Marktpenetration optimistischsten
HyWays-Szenario mit der Grundannahme einer
sehr hohen politischen Unterstützung für Wasserstoff und einer schnellen technologischen
Entwicklung sind im Jahre 2030 schon gut 25 %
aller Pkw-Fahrzeuge Wasserstofffahrzeuge
(FCEVs und Verbrenner); im Jahre 2050 sind es
sogar über 70 % der Fahrzeuge.
Für die weiter oben zitierten McKinsey
‚Coalition Study‘ haben sich mehr als 30 Unternehmen, Regierungs- und Nichtregierungsorganisationen zusammengefunden, um eine fachliche Bewertung der Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Leistung von FCEVs, aber auch von
Batterie- und Plugin-Hybrid-Fahrzeugen sowie
Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICE,
Internal Cumbustion Engines) entlang der gesamten Wertschöpfungskette bis zum Jahr 2050
zu erarbeiten. Die Unternehmen stellten hierfür
firmeninterne Daten u.a. zu Fahrzeugkosten, Betriebskosten, sowie Treibstoff- und Infrastrukturkosten zur Verfügung. Betrachtet werden nur
diejenigen in Forschung und Entwicklung geprüften Fahrzeugtechnologien, die für den
Scale-up sowie für die kommerzielle Einführung
geeignet sind und die dazu beitragen können, die
CO2-Reduktionsziele der EU bis 2050 zu erreichen. Die Studie definiert drei Szenarien für
2050 (vgl. Tabelle 3-1):
„World skewed towards ICE“ (mit folgenden Bestandszahlen im Jahr 2050: 5 %
FCEVs, 10 % BEVs, 25 % PHEVs, 60 %
ICE),
„World skewed towards electric powertrains” (25 % FCEVs, 35 % BEVs, 35 %
PHEVs, 5 % ICE) und
„World skewed towards FCEVs“, (50 %
FCEVs, 25 % BEVs, 20 % PHEVs, 5 %
ICE).
Der Fokus der Studie liegt dabei auf dem zweiten Szenario, das eine ausgewogene Aufteilung
zwischen den vier Antrieben vorsieht. Im Gegensatz zu einigen anderen Studien werden
Fahrzeuge verschiedener Segmente mit unterschiedlichen Fahrzeuggrößen und jährlichen
Fahrleistungen einbezogen, um zu untersuchen,
für welches Segment welche Antriebsart am geeignetsten ist.
Tabelle 3-1:
Übersicht über Marktstudien und Szenarien zu FCEV-Bestandsentwicklungen
Studie, erschienen
Markt u.
Zeithorizont
Anteil
im Bestand
in 2050
Szenarien
IEA, 2005
Weltweit, bis
2050
Szenario B:
HyWays, 2007
Europa, 2013
– 2050
Sehr hoher politischer Druck, schnelles Lernen
75 %
Hoher politischer Druck, schnelles Lernen, hoher politischer
Druck, moderates Lernen
70 %
Moderater politischer Druck, moderates Lernen
36 %
Die Welt tendiert zu Verbrennungskraftmaschinen
Die Welt tendiert zu elektrischen Antrieben
5%
25 %
Die Welt tendiert zu Brennstoffzellenantrieben
50 %
Coalition Study, 2011
Europa, bis
2050
Szenario D:
Scharfe neue CO2-Auflagen in Kyoto-Ländern
und schnelle technische Entwicklung
Weltweite scharfe CO2-Auflagen mit schneller
technischer Entwicklung
10 % *)
30 % *)
Bemerkung: *) inkl. Wasserstoff-Verbrennungsmotoren
Quelle: Eigene Darstellung nach [IEA 2005; HyWays 2007 und McKinsey 2011]
Für das Klimaschutz-Szenario der Studie
GermanHy wurde der Entwicklungspfad des
HyWays Szenarios „Hoher politischer Druck,
schnelles Lernen…“ ausgewählt, der bereits zu
Beginn eine relativ hohe Penetrationsrate aufweist, da dies eine wichtige Voraussetzung für
Investitionen in den Aufbau der Infrastruktur ist.
Bei der Einführung der FCEVs wurde unterstellt, dass sie zunächst vor allem neue BenzinPKW und später dann zunehmend auch neue
Diesel-PKW ersetzen (vgl. Kapitel 5.3.2.1). Die
in GermanHy bestimmte Bestandsentwicklung
wurde für die Überleitung nach TREMOD an
die hier zugrundeliegenden differenzierteren
Entwicklungen von Neuzulassungen angepasst.
Die resultierende, künftig erwartete Entwicklung des FCEV-Bestandes in den Eckjahren
2020 bis 2050 ist in der folgenden Abbildung 4
dargestellt.
45
40
35
in Mio. Pkw
30
25
20
15
10
5
0
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
FCEV
Abbildung 4:
Entwicklung des Pkw-Bestands in Deutschland für alternative Antriebe im Szenario „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“
11
3.1.2
Szenario
„Pkw-ElektromobilitätKlimaschutz“
Neben Brennstoffzellenfahrzeugen werden in
den letzten Jahren verstärkt reine Batteriefahrzeuge (BEVs) und Kombinationen aus Verbrennungs- und Elektromotor, sogenannte Hybridantriebe (HEVs, PHEVs) als wichtige alternative
Antriebskonzepte zur Lösung der Klima- und
Ressourcenproblematik diskutiert4. Im Weiteren
sind für die vorliegende Studie nur solche Hybridarten relevant, bei denen die Batterie extern
aufgeladen werden kann (sog. Plug-in Hybride
oder PHEVs).
Auch die Bundesregierung sieht in der Elektromobilität ein wesentliches Element einer zukunftsfähigen Mobilität [Bundesregierung 2009,
2011] und setzt im Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität (NEP) in Abstimmung mit
der Industrie als Zielmarke einen Bestand von
mindestens einer Million Elektrofahrzeuge
(BEVs, PHEVs) bis 2020 und mindestens sechs
Millionen bis 2030 in Deutschland.
Im Folgenden wird ein sogenanntes Szenario
entwickelt, bei dem der Versuch unternommen wird,
ein integriertes Szenario für die drei Antriebsarten FCEVs, BEVs und PHEVs für Deutschland
bis zum Jahre 2030 zu entwerfen und somit das
im vorangegangenen Kapitel 3.1.1 vorgestellte
Szenario „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“
aus der GermanHy-Studie um eine Prognose zu
BEVs und PHEVs zu ergänzen.
In ihrem zweiten Bericht analysiert die NPE
[NPE 2011a] die mögliche erwartete Marktentwicklung bis zum Jahr 2020. Während bei fehlenden Anreizen die erwartete Anzahl Elektrofahrzeuge im Jahr 2020 unter 500.000 bleibt,
können aus Sicht der NPE bei entsprechenden
Maßnahmen im Jahr 2020 eine Million Elektrofahrzeuge (BEVs, PHEVs) erreicht werden. Von
diesen sind 45 % BEVs und 55 % PHEVs (50 %
PHEV-Pkw und 5 % PHEV-Nutzfahrzeuge).
Der avisierte zeitliche Verlauf der Zielerreichung ist in Abbildung 5 auf Seite 13 dargestellt. Im dritten Bericht der NPE werden die
bisher ergriffenen Maßnahmen der Politik zur
Förderung der Elektromobilität bewertet [NPE
2012]. Dabei kommt die NPE zu dem Schluss,
dass die für 2020 erwartete Zahl Elektrofahrzeuge durch die bisherigen Maßnahmen ledig-
4
12
Hybride Fahrzeugkonzepte können nach dem Aufbau
des Antriebsstrangs unterschieden werden in parallele,
serielle oder leistungsverzweigte Hybridantriebe. Für
die Analysen im vorliegenden Bericht ist diese Unterscheidung jedoch nicht von Bedeutung.
lich um 10–20 % steigt gegenüber der Zahl,
welche ohne Anreizmaßnahmen erreicht werden
würde (unter 500.000 Elektrofahrzeuge gemäß
NPE [NPE 2011a]). Um das gesetzte Ziel von
einer Million Elektrofahrzeugen bis 2020 zu erreichen, müssten die Rahmenbedingungen verändert werden.
Trotz der etwas vorsichtigeren Einschätzung der
NPE werden für das im Rahmen der hier vorliegenden Studie entwickelte Szenario „Elektromobilität“ die Entwicklung des PHEV- und
BEV-Bestands gemäß den Vorgaben der Bundesregierung (1 Mio. Elektrofahrzeuge bis 2020,
6 Mio. Elektrofahrzeuge bis 2030) gewählt. Die
Batterie- und Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge bilden
dabei ein Verhältnis von 40:60 im Bestand. Die
Herausforderung besteht allerdings darin, eine
realistische Marktpenetration von Brennstoffzellen-Fahrzeugen in diejenige von PHEVs und
BEVs zu integrieren. Wenn man die FCEVEntwicklungszahlen des Szenarios “Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“ übernehmen würde,
käme man in der Summe von FCEVs, BEVs
und PHEVs auf eine unrealistisch starke Zunahme von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben.
Aus technologischer Perspektive unterscheiden
sich die Antriebsarten BEV, PHEV und FCEV.
In Tabelle 3-2 sind die wesentlichen Eigenschaften der Antriebsysteme vergleichend dargestellt.
Während die BEV-Technologien aus technologischer Sicht eher für kürzere Reichweiten und
kleinere Fahrzeuge geeignet sind, werden
Brennstoffzellen für größere Fahrzeuge und lange Reichweiten langfristig die wohl besten technologischen Eigenschaften bieten. HybridTechnologien bieten die Chance über alle PKWKategorien hinweg Effizienzsteigerungspotenziale zu heben und als Übergangstechnologie zu
gelten (zunehmende Elektrifizierung des Antriebs).
Brennstoffzellenfahrzeuge, die im weiteren Sinne auch zu den Elektrofahrzeugen zu zählen
sind, kommen unter allen Elektrofahrzeugen
(FCEVs, BEVs, PHEVs)) den heutigen Kundenwünschen am nächsten. Bei BEVs spielt die
begrenzte Reichweite für die Akzeptanz der
Kunden eine Rolle, obwohl diese mittlerweile
mehr als 100 Kilometer betragen kann. Mit neuen Batterietechnologien könnten Energiedichten
erreicht werden, die deutlich größere Reichweiten ermöglichen. Fachleute rechnen jedoch frühestens 2025 mit einer Marktreife der Systeme
(siehe [Thielmann et al. 2010, 2012]). Darüber
hinaus gibt es offene Fragen zur kalendarischen
Lebensdauer und Zyklenfestigkeit dieser neuen
Batteriekonzepte [Thielmann et al. 2012, S. 13].
Abbildung 5:
Marktpenetration von Elektrofahrzeugen (BEVs; PHEVs) im zweiten Bericht
der NPE bei entsprechenden Maßnahmen. Quelle: [NPE 2011a]
Tabelle 3-2:
Heutige, typische Eigenschaften der betrachteten Antriebssysteme (eigene Zusammenstellung, Mittelklasse-PKW)
Eigenschaft
Benzinfahrzeug
Plug-in Hybrid
Batteriefahrzeug
Brennstoffzellenfahrzeuge
Abkürzung
ICE
PHEV
BEV
FCEV
Energieinhalt des
Tanks (T) bzw. des
Akkus (A)
445 kWh (T)
200 kWh (T)+
10 kWh (A)
24 kWh (A)
140 kWh (T)
Bauvolumen Volumen (Tank)
50 Liter
25 Liter Tankvol+50
Liter Akkubauraum
90-170 Liter Akkubauraum
120-180 Liter
Gastank
Masse (‚Inhalt‘ +
‚Tank‘)
45 kg
(Kraftstoff + Tank)
20 kg (T)+100 kg (A)
150 bis 250 kg
(Zelle + System)
4+80 kg
(Kraftstoff + System)
Reichweite
>700 km
50+600 km
<150 km
~400 km
Tank und/oder Ladehäufigkeit bei durchschnittlicher Nutzung
von 38 km/Tag
alle 2 Wochen
jeden Tag laden und
alle 2 Wochen betanken
jeden Tag 30 % laden und alle 3 Tage
vollständig aufladen
alle 1-2 Wochen betanken
Zeitaufwand für
Tanken (T) bzw. Laden (L)
3 Minuten
3 Minuten (T)/
2 Stunden (L)
0,5 -8 Stunden (L)
3 Minuten (T)
Bei Kleinfahrzeugen spielt die Reichweite eine
eher untergeordnete Rolle, weshalb hier batterieelektrische Antriebe aus Effizienzgründen
von Vorteil sind.
Neben den technologischen Parametern sprechen auch ökonomische Analysen auf der Basis
von Total-Cost-of-Ownership-Ansätzen (TCO)
für eine Differenzierung der Fahrzeugwahl in
Abhängigkeit der Fahrzeuggröße und insbesondere der Reichweite. FCEVs werden auf absehbare Zeit gegenüber PHEVs teurer in der Anschaffung sein, sie können aber günstiger in den
variablen Betriebskosten werden, insbesondere
dann, wenn der verbrennungsmotorische Anteil
bei PHEVs groß ist (siehe [Michaelis et al.
2012, McKinsey 2011]). So bietet sich aus ökonomischen Gründen insbesondere das Oberklassen-Fahrzeugsegment bei hoher jährlicher Fahrleistung für die Einführung von FCEVs an.
Diesen Ansatz verfolgt auch die McKinsey
‚Coalition Study‘, die in Kapitel 3.1.1.bereits
vorgestellt wurde. Tabelle 3-3 und Abbildung 6
zeigen die Ergebnisse der Studie bezüglich der
Marktdurchdringung der alternativen Antriebssysteme für die drei Szenarien und differenziert
nach Fahrzeugklassen.
13
Tabelle 3-3:
Marktdurchdringung verschiedener Antriebssysteme in Europa für verschiedene Szenarien (Zahlenquelle: [McKinsey 2011])
Durchdringung der Antriebssysteme im europäischen Pkw-Bestand 2050
Anteile in %
FCEV
BEV
PHEV
ICE
Szenario 1: Tendenz zu ICE
5
10
25
60
Szenario 2: Tendenz zu elektrischen
Antriebssystemen
25
35
35
5
Szenario 3: Tendenz zu FCEVs
50
25
20
5
Abbildung 6:
Marktdurchdringung verschiedener Antriebssysteme in Europa unterteilt nach Fahrzeugklassen A, B, C, D, E, J, M. Zuordnung siehe folgende Tabelle 3-4 (Zahlenquelle [McKinsey 2011])
Tabelle 3-4:
Zuordnung der Fahrzeugklassen zu den Fahrzeugsegmenten in TREMOD
Coalition Study
Segmente in TREMOD
KBA-Bezeichnung
A, B
„klein“ - Kleinwagen-Klasse
Mini, Kleinwagen
C, D, M1
„mittel“ - Mittelklassefahrzeuge
Kompaktklasse, Mittelklasse, Mini-Vans
E, M2, J1, J2
„groß“ - Oberklassefahrzeuge
Obere Mittelklasse, Oberklasse, Geländewagen, Utilities, Wohnmobil, Sportwagen, Großraum-Vans
Werden die für Europa angegebenen Zahlen aus
der ‚Coalition Study‘ von McKinsey anhand der
Bestandszahlen vom Kraftfahrtbundesamt auf
Deutschland herunter gerechnet, so erhält man
für das Szenario 2 gut 11 Mio. BEV- und
PHEV-Fahrzeuge und 2,5 Mio. FCEVs in 2030
im Bestand. Im dritten Szenario sind es knapp 8
Mio. BEVs und PHEVs (und somit Zahlen einer
Größenordnung ähnlich der Zielsetzung der
Bundesregierung) sowie 6 Mio. FCEVs.
Zum Aufbau eines integrierten Szenarios wird,
wie oben bereits erwähnt, die Entwicklung des
PHEV- und BEV-Bestands gemäß den Vorga-
14
ben der Bundesregierung gewählt. Demnach
wird für das Jahr 2020 ein Bestand von rund
400.000 BEVs und 600.000 PHEVs angenommen. Wird diese Entwicklung fortgeschrieben,
ergibt sich für das Jahr 2030 ein Bestand von 2,7
Mio. BEVs und 3,8 Mio. PHEVs, was den Zielen der Bundesregierung sehr nahe kommt. Für
FCEVs wird die Entwicklung des Bestands nach
Szenario 2 der McKinsey-Studie festgelegt.
Abbildung 7 zeigt die Bestandsentwicklung für
alternative Antriebe in Deutschland bis zum Jahr
2050.
45
40
in Mio. Pkw
35
30
25
20
15
10
5
0
2010
2015
2020
2025
PHEV
Abbildung 7:
3.2
BEV
2035
2040
2045
2050
FCEV
Entwicklung des Pkw-Bestands in Deutschland für alternative Antriebe im Szenario „Elektromobilität“
Kraftstoffbereitstellungsszenarien für TREMOD
Zur Deckung der zuvor dargestellten, entstehenden Nachfrage nach den neuen Kraftstoffen
Wasserstoff und Strom durch die Markteinführung von FCEVs und BEVs werden die folgenden beiden Szenarien zu Grunde gelegt.
3.2.1
2030
Szenario zur Wasserstoffbereitstellung für FCEVs
Als Basisszenario für den Wasserstoffmix in
TREMOD wird das Klimaszenario mit CCSTechnik („KLI-CCS“) von [GermanHy 2009]
herangezogen. Von den am vorliegenden Projekt
beteiligten Instituten wurde nach ausführlicher
Diskussion beschlossen, trotz signifikanten Unsicherheiten weiterhin auf die CCS-Variante zurückzugreifen, da diese 2009 vordringlich kommuniziert wurde. Die im Zusammenhang mit
der Abtrennung und unterirdischen Speicherung
von CO2 (CCS) in der Fachöffentlichkeit kontrovers diskutierten kritischen Punkten, wie z.B.
steigende Ressourcenverbräuche für Extraktion, Konditionierung, Transport und
Verpressen des CO2,
fehlende Akzeptanz von CO2-Pipelines und
unterirdischen CO2-Endlagern,
Sicherheitsfragen zur CO2-Endlagerung,
regulatorische Entwicklungen, wie z. B. der
Ländervorbehalt im CCS-Gesetz,
fehlende strategische Relevanz für Einsatz
in Deutschland (Zeitlinie Kommerzialisierung CCS vs. erneuerbare Energien),
sind den Autoren bewusst. Eine Überarbeitung
dieses H2-Bereitstellungsszenarios ist dringend
angeraten, lag jedoch außerhalb des Untersuchungsrahmens für diese Studie.
Die meisten für TREMOD aufbereiteten H2Pfade beinhalten kein CCS. Damit sind diese
Pfade anschlussfähig an ggf. neue Szenarien ohne CCS.
Abbildung 8 zeigt für das GermanHy-Szenario
„KLI-CCS“ auf welchen Ausgangsenergieformen das zukünftige H2-Portfolio beruht. Im
Rahmen dieser Studie wurden die in [GermanHy
2009] angenommenen H2-Bereitstellungspfade
auf neuere Entwicklungen hin überprüft, z. B.
hinsichtlich neuer Komponenten. Als Ergebnis
wurde eine neue Komponente ergänzt – der
50 MPa CGH2-Druckflaschentrailer – und in ihren Beiträgen durch LBST und ISI angepasst.
Tabelle 3-5 zeigt die Liste an berücksichtigten
Pfaden sowie die für diese Studie angenommenen Beiträge zu den Wasserstoffmixen für
Deutschland in den Jahren 2020, 2030, 2040
und 2050.
15
Abbildung 8:
16
Künftige Wasserstoffproduktion aus Elektrolyse, Vergasung von Biomasse (50 % Stroh, 50 % Kurzumtrieb) und Kohle sowie ErdgasDampfreformierung in Deutschland entsprechend Szenario „KLI-CCS“
Quelle: [GermanHy 2009]
Tabelle 3-5:
Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Well-to-Tank“
2020
2030
2040
2050
H2-ERDGAS
12 %
6%
3,0 %
3,0 %
CGH2 aus Erdgas über Dampfreformierung an der Tankstelle (onsite)
12 %
2%
0,8 %
0,1 %
CGH2 aus Erdgas in einer dezentralen (15 MWH2) Dampfreformierungsanlage via H2-Pipeline
0%
0%
0,0 %
0,0 %
CGH2 aus Erdgas in einer zentralen (300 MWH2) Dampfreformierungsanlage via H2-Pipeline
0%
0%
0,0 %
0,0 %
CGH2 aus Erdgas in einer zentralen (300 MWH2) Dampfreformierungsanlage via LH2-Tanklastzug
CGH2 aus Erdgas in einer zentralen (300 MWH2) Dampfreformierungsanlage via CGH2-Druckflaschentrailer
50 MPa
CGH2 aus Erdgas in einer zentralen (300 MWH2) Dampfreformierungsanlage mit CCS via H2-Pipeline
0%
0%
0,0 %
0,0 %
0%
0%
0,0 %
0,0 %
0%
2%
1,4 %
2,1 %
CGH2 aus Erdgas in einer zentralen (300 MWH2) Dampfreformierungsanlage mit CCS via LH2-Tanklastzug
CGH2 aus Erdgas in einer zentralen (300 MWH2) Dampfreformierungsanlage mit CCS via CGH2Druckflaschentrailer 50 MPa
0%
2%
0,9 %
0,9 %
0%
0%
0,0 %
0,0 %
H2-KOHLE
0%
39 %
45 %
46 %
CGH2 aus Steinkohlevergasung via H2-Pipeline
0%
4%
4%
2%
CGH2 aus Steinkohlevergasung via LH2-Tanklastzug
0%
4%
3%
1%
CGH2 aus Steinkohlevergasung via CGH2-Druckflaschentrailer 50 MPa
0%
0%
0%
0%
CGH2 aus Steinkohlevergasung mit CCS via H2-Pipeline
0%
16 %
23 %
30 %
CGH2 aus Steinkohlevergasung mit CCS via LH2-Tanklastzug
0%
16 %
15 %
13 %
CGH2 aus Steinkohlevergasung mit CCS via CGH2-Druckflaschentrailer 50 MPa
0%
0%
0%
0%
H2-NEBENPRODUKT
32 %
5%
1%
0%
CGH2 aus Nebenprodukt-H2 via CGH2-Druckflaschentrailer 50 MPa
32 %
5%
1%
0%
WASSERSTOFFPRODUKTIONSPFAD
17
2020
2030
2040
2050
H2-BIOMASSE
16 %
14 %
12 %
6%
0%
7%
8%
5%
CGH2 aus Stroh (50 %) und Kurzumtrieb (50 %) via CGH2-Druckflaschentrailer 50 MPa
16 %
7%
4%
1%
H2-ERNEUERBARER STROM
40 %
36 %
39 %
45 %
CGH2 aus onsite Elektrolyse an der Tankstelle mit Strom aus Windkraft
40 %
18 %
14 %
9%
CGH2 aus zentraler Elektrolyse mit Strom aus Offshore Windparks via H2-Pipeline
0%
7%
15 %
29 %
CGH2 aus zentraler Elektrolyse mit Strom aus Offshore Windparks via LH2-Tanklastzug
0%
0%
0%
0%
CGH2 aus zentraler Elektrolyse mit Strom aus Offshore Windparks via CGH 2-Druckflaschentrailer 50 MPa
0%
11 %
10 %
7%
H2-STROMMIX
0%
0%
0%
0%
CGH2 aus onsite Elektrolyse mit Strommix Deutschland
0%
0%
0%
0%
CGH2 aus zentraler Elektrolyse mit Strommix Deutschland via H2-Pipeline
0%
0%
0%
0%
CGH2 aus zentraler Elektrolyse mit Strommix Deutschland via LH2-Tanklastzug
0%
0%
0%
0%
CGH2 aus zentraler Elektrolyse mit Strommix Deutschland via CGH2-Druckflaschentrailer 50 MPa
0%
0%
0%
0%
CGH2 aus Stroh (50 %) und Kurzumtrieb (50 %) via H2-Pipeline
18
Fortsetzung Tabelle 3-5:
3.2.2
Szenario zur Strombereitstellung für
BEVs
Als Bezugsszenario für die Bereitstellung von
Strom wird die „Leistudie 2011, Basisszenario
2011 A“ zugrunde gelegt [Leitstudie 2011], die
vom DLR-ITT, FhG-IWES und IfnE im Auftrag
des Bundesministeriums für Umwelt (BMU) erstellt und Ende März 2012 veröffentlicht wurde.
Hierin werden bereits in gewissem Umfang
Verbrauchernachfragemanagement
sowie
Stromspeicher zur Bereitstellung gesicherter
Leistung berücksichtigt. In Abbildung 9 sind die
ermittelten Stromerzeugungsmengen dargestellt.
Die Stromerzeugung aus Abbildung 9 ergibt die
in Tabelle 3-6 angegebenen prozentualen Beiträge der verschiedenen Stromerzeugungspfade.
600
Wasserkraft
Photovoltaik (PV)
Windenergie onshore
500
Windenergie offshore
EE-Import Wind
EE-Import Solartherm. KW (SOT)
400
Biogas, Klärgas u.a.
Feste Biomasse Kondensations-KW
Feste Biomasse HKW
Abfall
300
Erdgas BHKW (Gasmotor)
Erdgas HKW (GuD)
Erdgas Kondensations-KW (GuD)
100
Steinkohle DT-HKW
Steinkohle-DT
Braunkohle DT-HKW
Braunkohle-DT Lausitz
Braunkohle-DT Rhein
Nuklear
0
2020
Abbildung 9:
2030
2040
LBST, 12.11.2012
Erneuerbar
200
Fossil/
Nuklear
Stromerzeugung in Deutschland (Leitstudie 2011, Szenario A) [TWh]
Geothermie
2050
Stromerzeugung in Deutschland entsprechend „Basisszenario A“ Quelle:
[Leitstudie 2011]
19
Tabelle 3-6:
Strommix Deutschland entsprechend „Basisszenario 2011 A“,
Quelle: [Leitstudie 2011]
STROMPFAD
Wasserkraft
2020
2030
2040
2050
3,9 %
4,3 %
4,4 %
4,4 %
Windenergie onshore
14,5 %
18,4 %
21,0 %
23,4 %
Windenergie offshore
5,9 %
16,4 %
20,5 %
22,7 %
Photovoltaik
8,0 %
10,1 %
10,5 %
11,3 %
Biogas, Klärgas u.a.
4,1 %
4,7 %
5,0 %
5,0 %
Feste Biomasse Kondensations-KW
0,0 %
0,0 %
0,0 %
0,0 %
Feste Biomasse HKW
3,7 %
4,6 %
4,5 %
4,5 %
Geothermie
0,3 %
1,2 %
2,2 %
3,4 %
Solarthermische Kraftwerke
0,0 %
1,3 %
5,6 %
7,4 %
Windenergie Import
0,2 %
2,2 %
2,7 %
3,5 %
Abfall*
1,2 %
1,3 %
1,2 %
1,2 %
Steinkohle-DT
9,2 %
5,9 %
2,3 %
0,2 %
Braunkohle-DT Lausitz
6,3 %
2,9 %
1,1 %
0,0 %
Braunkohle-DT Rhein
6,3 %
2,9 %
1,1 %
0,0 %
Steinkohle DT-HKW
2,8 %
2,2 %
1,8 %
1,4 %
Braunkohle DT-HKW
0,7 %
0,6 %
0,4 %
0,0 %
Schweröl Kondensations-KW
0,0 %
0,0 %
0,0 %
0,0 %
Erdgas Kondensations-KW (GuD)
5,8 %
6,6 %
3,6 %
2,5 %
Erdgas Kondensations-KW (GT)
0,0 %
0,0 %
0,0 %
0,0 %
Erdgas Kondensations-KW (DT)
0,0 %
0,0 %
0,0 %
0,0 %
10,8 %
10,1 %
8,3 %
6,9 %
Erdgas HKW (GT)
0,0 %
0,0 %
0,0 %
0,0 %
Erdgas BHKW (Gasmotor)
4,3 %
4,4 %
3,8 %
2,2 %
Nuklear
11,9 %
0,0 %
0,0 %
0,0 %
ERNEUERBARER STROM
41,6 %
64,2 %
77,4 %
86,5 %
NICHT-ERNEUERBARER STROM
58,4 %
35,8 %
22,6 %
13,5 %
Erdgas HKW (GuD)
* Abfall 80 % erneuerbar, Quelle: [GEMIS]
20
Kap. 4 Vorkettenemissionen und Energieaufwände zur Bereitstellung von Wasserstoff und Strom im Verkehr
4 Vorkettenemissionen und Energieaufwände zur Bereitstellung von Wasserstoff und Strom
im Verkehr
Dieses Kapitel beschreibt die mit der Erzeugung und Bereitstellung von Wasserstoff (4.2) und Strom
(4.3) verbundenen Energieaufwände und Emissionen. Der Fokus von GermanHy lag auf Wasserstoff als
Kraftstoff im Verkehr. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zusätzlich die Energieaufwände und Emissionen bei Strom für Batterieautos ermittelt.
4.1
Bilanzmethodik
Die Bilanzierung der Energie- und Stoffflüsse
sowie der damit verbundenen Emissionen erfolgte entsprechend den nachfolgenden methodischen Festlegungen:
Die Bilanzierung der Vorketten erfolgt
nach Maßgabe der Basisnormen für Lebenszyklusbilanzen ISO 14040 und ISO
14044.
Entsprechend dem Vorgehen internationaler Organisationen (IEA, EuroStat, ECE)
und dem Vorgehen der AG Energiebilanzen wird für die Berechnung des Primärenergieeinsatzes das sog. Wirkungsgradprinzip angewendet. Danach wird für die
Bewertung der Kernenergie von der durch
die Kernreaktion freiwerdenden Wärme
ausgegangen. Als Wirkungsgrad für die
Erzeugung von Strom aus Kernenergie
wird daher 33 % angenommen. Bei der
Stromerzeugung aus Wasserkraft, Windkraft und Photovoltaik, denen kein Heizwert beigemessen werden kann, wird formal ein „Wirkungsgrad“ von 100 % verwendet.
Der Energieaufwand für den Bau von Anlagen und Fahrzeugen (sog. „graue Energien“) und die damit verbundenen Umweltwirkungen werden nicht berücksichtigt. Dies entspricht dem Vorgehen in vergleichbaren Vorhaben, wie z.B. den Wellto-Wheel Analysen von JRC/ EUCAR/
CONCAWE auf der europäischen Ebene
[JEC 2011].
„Graue Energien“ und die damit verbundenen Emissionen spielen bei der Stromund Kraftstoffbereitstellung in der Regel
nur eine untergeordnete Rolle. Durch zunehmende Anteile erneuerbaren Stroms im
Strommix und erneuerbarer Wärme sinken
die mit dem Bau von Kraftwerken, Infra-
-
-
-
-
strukturen und Fahrzeugen verbundenen
energiebedingten Emissionen. Ausnahme
könnten nicht energiebezogene Umweltwirkungen sein, wie sie z.B. beim Abbau
von Rohmaterialien (Bergbau) entstehen.
Zu den Treibhausgasen zählen CO2, Methan und Lachgas (N2O). Die Klimawirksamkeit wird nach CO2-Äquivalenten bewertet. Die jeweiligen Wichtungsfaktoren
für einen Betrachtungszeitraum von 100
Jahren sind nach Intergovernmental Panel
on Climate Change [IPCC 2007]: CO2 =
1 g/g, CH4 = 25 g/g, N2O = 298 g/g.
Es wird lediglich CO2 aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe berücksichtigt.
Die Verbrennung von Biomasse ist CO2neutral, da nur so viel CO2 freigesetzt
wird, wie vorher beim Wachstum der
Pflanze aus der Atmosphäre entzogen
wurde.
Es werden die Vorkettenemissionen der
Strom- und Kraftstoffbereitstellung ‚Wellto-Tank‘ bilanziert, d.h. die Bilanzgrenze
‚nach oben‘ ist die Gewinnung der Primärenergie (Kohleförderung, Windstrom
etc.) und die Bilanzgrenze ‚nach unten‘ ist
der Übergabepunkt von Kraftstoff und
Strom an der Zapfsäule (70 MPa) respektive Ladesteckdose (230 V~).
Die funktionale Einheit für die Bilanzierung ist 1 MJ Kraftstoff bzw. Strom ex
Übergabepunkt an das Fahrzeug.
Damit die Konsistenz der Technologiepfade
gewährleistet ist, werden immer vollständige
Pfade bilanziert. Dies ist insbesondere bei den
Wasserstoffpfaden relevant, da hier ein enger
Zusammenhang zwischen Wasserstoffproduktion und Wasserstoffinfrastruktur besteht, z.B.
bei der Frage der Vordrücke, Aggregatszustand
bei Anlieferung an die Tankstelle, usw..
21
Die Emissionsfaktoren werden für jeden Emissionstyp
k [CO2eq | CO2 | CH4 | N2O | CO |
PM | NOx | SO2 | NMVOC]
aus den definierten Technologiepfaden
i
[1, 2, …, n]
EF H2-Mix
EFH2,k
EF Strommix
Abbildung 10:
j
[2020 | 2030 | 2040 | 2050]
ermittelt. Der Pfadmix ergibt sich dann für jeden Emissionstyp und Zeitschritt über die gewichtete Addition der einzelnen Pfademissionen entsprechend Abbildung 10.
xk,1,j% · EFk,1,j + xk,2,j% · EFk,2,j +…+ xk,n,j% · EFk,n,j
EFStrom,k xk,1,j% · EFk,1,j
+ xk,2,j% · EFk,2,j +…+ xk,n,j% · EFk,n,j
Bestimmung des Mix-Emissionsfaktors (EF) für jeden Emissionstyp (k),
Technologiepfad (i) und Zeitschritt (j) für Wasserstoff und Strom
Für eine ausführliche Beschreibung der Wasserstoffbereitstellungspfade sowie Annahmen technischer Parameter siehe Kapitel 8.2 im Anhang.
beschrieben ist, dargestellt. Negative Werte ergeben sich aus Gutschriften. Des weiteren sind
in den Tabellen 8-2 bis 8-6 entsprechend die
Emissionsfaktoren für flüchtige Nichtmethanverbindungen (non-Methan volatile compounds:
NMVOC), NOx, SO2, CO sowie für Staub und
Partikel angegeben.
4.2.1
4.2.2
4.2
Wasserstoffbereitstellung für
Brennstoffzellenfahrzeuge
Emissionsfaktoren für
Wasserstoffpfade
Tabellen zu „Well-to-Tank“ Emissionsfaktoren
für Wasserstoffpfade finden sich im Anhang. In
Tabelle 8-1 sind z. B. die Treibhausgasemissionen von der „Quelle bis zum Tank“ („Well-toTank“) für die Wasserstoffpfade entsprechend
dem Wasserstoffszenario, das in Kapitel 3.2.1
22
für jeden Zeitschritt
Emissionsfaktoren für
Wasserstoffmix
Für den Wasserstoffmix ergeben sich entsprechend der in Tabelle 3-5 genannten Zusammensetzung die in Abbildung 11 und Abbildung 12
genannten Emissionsfaktoren „Well-to-Tank“.
Die hierzu korrespondierenden Daten finden
sich im Anschluss in Tabelle 4-1.
.
Wasserstoffmix GermanHy "KLI-CCS" - Vorkettenemissionen "Well-to-Tank"
50
CO2eq [gCO2eq/MJ]
45
CO2 [gCO2/MJ]
40
CO2, CO2eq [g/MJ]
35
30
25
20
15
10
5
0
2020
2030
2040
2050
Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST), 06.11.2012
Abbildung 11:
Emissionsfaktoren für CO2 und CO2eq für Wasserstoffmix „Well-to-Tank“
Wasserstoffmix GermanHy "KLI-CCS" - Vorkettenemissionen "Well-to-Tank"
CH4, N20, NMVOC, NOx, SO2, CO, Staub&Partikel [g/MJ]
0,50
0,45
0,40
CH4 [g/MJ]
0,35
N2O [g/MJ]
0,30
NMVOC [g/MJ]
NOx [g/MJ]
0,25
SO2 [g/MJ]
CO [g/MJ]
0,20
Staub&Partikel [g/MJ]
0,15
0,10
0,05
0,00
2020
2030
2040
2050
Abbildung 12:
Emissionsfaktoren von nicht-CO2-Treibhausgasen und Schadstoffen für Wasserstoffmix „Well-to-Tank“
23
Tabelle 4-1:
Emissionen aus Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Well-toTank“
[g/MJ]
Kohlendioxid
(CO2)
Methan
(CH4)
Lachgas
(N2O)
Treibhausgase
(CO2-Äquivalente)
Flüchtige Nichtmethanverbindungen
(NMVOC)
Stickoxide
(NOx)
Schwefeldioxid
(SO2)
Kohlenmonoxid
(CO)
Staub und Partikel
(u.a. PM)
2020
2030
2040
2050
40,7
35,4
28,6
18,3
0,120
0,389
0,416
0,425
0,0011
0,0013
0,0010
0,0007
44,0
45,5
39,3
29,1
0,0046
0,0035
0,0029
0,0030
0,0716
0,0916
0,0845
0,0715
0,0054
0,0549
0,0605
0,0617
0,0310
0,0316
0,0268
0,0215
0,0029
0,0081
0,0082
0,0078
Mit zunehmendem Anteil der Wasserstoffgewinnung durch Steinkohlevergasung mit CCS
steigen auch die CH4-Emissionen. Sie sind relativ hoch und werden durch den in der Prozesskette vorgelagerten Steinkohleabbau verursacht.
Aus dem gleichen Grund steigen auch die SO2Emissionen an, die aus dem Betrieb von Kraftwerken zur Deckung des Energiebedarfs der
Steinkohlebergwerke und auch aus der Vergasungsanlage selbst (SO2-Verluste aus der ClausAnlage zur Behandlung des H2S-Stroms aus der
Entschwefelung) resultieren. Mit dem Ausbau
von H2-Produktionsanlagen auf Basis der Steinkohlevergasung steigen bis 2030 auch die NOxEmissionen. Nach 2030 führt der Ausbau erneuerbarer Energiequellen zu einer Reduktion der
NOx-Emissionen und überkompensiert den Anteil von Wasserstoff aus Steinkohlevergasung.
4.2.3
Energieeinsatz für Wasserstoffmix
Tabelle 4-2 zeigt den Energieeinsatz für die Bereitstellung von Wasserstoff, aufgeteilt auf die
einzelnen Primärenergien. Der Energiegehalt
des erzeugten Wasserstoffs wird im Energieeinsatz berücksichtigt. Der Gesamtenergieeinsatz
entspricht dem Kehrwert des Bereitstellungsnutzungsgrades5.
5
24
Im GermanHy „KLI-CCS“-Szenario stammt der
Wasserstoff im Jahr 2020 zu 32 % aus Quellen,
bei denen der Wasserstoff als Nebenprodukt entlang einer chemischen Prozesskette anfällt (sog.
Nebenproduktwasserstoff). Ab 2030 wird ein
großer Teil des Wasserstoffs auf Basis von
Steinkohle mit CCS hergestellt (32 %, 38 %, 43
% in den Jahren 2030, 2040, 2050 respektive).
Die Bereitstellung von Wasserstoff aus der Vergasung von Steinkohle mit CCS ist mit einem
hohen Energieeinsatz verbunden. Durch den zunehmenden Anteil von Wasserstoff aus Steinkohle steigt daher der spezifische Energieeinsatz
erheblich an.
Zu beachten ist, dass der Einsatz von CCS aus
heutiger Sicht nicht mehr als realistische Option
betrachtet
wird.
Das
GermanHy
H2Bereitstellungsszenario „KLI-CCS“ wurde 2009
jedoch vordringlich kommuniziert. Seither sind
keine
vergleichbaren
WasserstoffBereitstellungsszenarien mehr erstellt worden,
so dass im Rahmen der vorliegenden Studie eine
entsprechende Aktualisierung der H2-Bereitstellungsszenarien nicht möglich war. Allerdings wird mit der vorliegenden Studie erstmals
die Voraussetzung geschaffen, im Rahmen von
TREMOD zukünftig H2-Szenarien zu modellieren.
Im Gegensatz dazu wird in einigen Studien
(z.B. der JEC-Studie) als Energieeinsatz
(„expended energy“) nur der Energieverlust
ausgewiesen, d.h. der Energieeinsatz abzüglich
des Produkts. Die vorliegende Studie definiert
Energieeinsatz als Quotient aus Energie-Input
und -Output bzw. als Kehrwert des Bereitstellungsnutzungsgrades.
Tabelle 4-2:
Energieeinsatz für die Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle
„Well-to-Tank“
[MJ/MJ]
2020
2030
2040
2050
Fossil
0,68
1,21
1,22
1,22
Nuklear
0,03
0,01
0,01
0,01
Erneuerbar
1,03
0,89
0,89
0,89
Summe
1,74
2,11
2,12
2,13
4.3
4.3.1
Strombereitstellung für Batteriefahrzeuge
Bilanzmethode Strombereitstellung
Für die Berechnung der Emissionsfaktoren von
Strom als Kraftstoff werden aktuell verschiedene methodische Ansätze diskutiert. Der Einfluss
der Ermittlungsmethode auf das Ergebnis ist
derart sensitiv, dass mitunter gegensätzliche
Schlussfolgerungen zur Bewertung der BEVElektromobilität richtig sein können:
(1) Stromerzeugungsmix eines Jahres (Energiebilanz) – die im Rahmen dieser Studie bevorzugte Variante,
(2) mittlerer Stromerzeugungsmix über einen
definierten Zeitraum, z.B. stündlich oder
viertelstündlich (Leistungsbilanz),
(3) die marginale Leistungsbereitstellung (das
ist die gerade notwendige Stromerzeugung,
die zur Deckung des BEV-Ladens zusätzlich aktiviert werden muss), siehe z.B.
[OPTUM 2011].
Als Variante hierzu können darüber hinaus die
Beiträge der ‚Erneuerbaren‘ dadurch eingeschränkt werden, dass nur zusätzlich aufgebaute
Kapazitäten an Erneuerbaren Energien bilanziell
berücksichtigt
werden
(„additionality“Kriterium). Andernfalls, so das Argument, würde lediglich eine Verschiebung der Emissionseinsparungen vom stationären Sektor in den
Verkehr erfolgen, da die Nachfragedeckung im
stationären Sektor weiter durch den konventionellen Kraftwerksmix erfolgt.
Sowohl die Leistungsbilanz (2) wie auch die
marginale Leistungsbilanz (3) benötigen als
Eingangsgröße ein repräsentatives Nutzungsprofil. Es gibt aber bisher weder eine ausreichende,
empirische Datenbasis noch einen Methodenkonsens für ein repräsentatives, synthetisches
Nutzungsprofil. Im Vergleich zu reinen Batteriefahrzeugen erhöht sich bei Plug-in Hybridfahrzeugen die Bilanzkomplexität zusätzlich da-
durch, dass mit Strom und Benzin/Diesel gleich
zwei ‘Kraftstoffe getankt‘ werden.
Die Durchführung des Ladevorgangs im Rahmen eines Nachfragemanagements bringt weitere Komplexität mit sich6. Mit steigenden Anteilen von Ladelasten im Stromnetz und ähnlichem
Verhalten der Akteure steigt der sogenannte
Gleichzeitigkeitsfaktor7. Zur Gewährleistung der
Netzstabilität muss der Batterieladevorgang gesteuert erfolgen. Sind die technischen Voraussetzungen für Nachfragemanagement erst einmal gegeben, so kann der Strombezug, im Rahmen der für den Nutzer akzeptablen Bedingungen8, gezielt in Richtung emissionsarmen Stromerzeugungsoptionen gelenkt werden. Beispielsweise wird der Ladevorgang bei hoher
Verfügbarkeit von erneuerbarem Strom im Netz
gestartet oder auch zeitweise unterbrochen,
wenn das Angebot an regenerativerzeugtem
Strom gerade niedrig ist.
Eine hohe Nachfrage nach Ladeleistung erhöht
den ‚Druck‘ auf die Verteilnetze, insbesondere
in den Randbereichen (Stichleitungen, ländliche
Region, etc.). Dem kann vergleichsweise einfach durch Netzausbau begegnet werden. Wegen
6
7
8
Vielfach verwendete Fachbegriffe hierfür sind
„Demand Side Management“ (DSM) und
„Demand Response“ (DR).
Auch „Bedarfsfaktor“ genannt. Die nachgefragte Verbraucherleistung ist in der Regel
niedriger als die installierte Verbraucherleistung. Dementsprechend werden die Netzkapazitäten ausgelegt, z.B. für den Hausanschluss.
Je ähnlicher die Betriebsweisen von Verbrauchern, desto mehr nähert sich die maximal benötigte Leistung (Pmax) der installierten Nachfrageleistung (Pinst) an [VDE 1997, S. 106]. In
Ortsnetzen stellt das Laden eines Batterieautos
einen relativ hohen Einzelverbraucher dar. Bei
einem hohen Gleichzeitigkeitsfaktor können
die bestehenden Netzkapazitäten daher schnell
erreicht werden.
Beispiel: Gewünschter minimaler Füllstand der
Batterie zu einem definierten Zeitpunkt.
25
der geringen äquivalenten Volllaststundenzahl
über das Jahr ist dies nicht immer technisch und
ökonomisch effektiv. Dezentrale Energiespeicher sind eine Alternative zum Netzausbau
[LBST 2012]. Je mehr dezentrale Speicher und
je näher diese an den Ladesteckdosen sind, desto
geringer fällt der ‚Druck‘ auf das Stromnetz aus
und desto unabhängiger wird der Ladevorgang
vom aktuellen Angebot. Diese Pufferspeicher
führen jedoch zu steigenden Energieverlusten in
der Kette und die Gesamtenergiebilanz verschlechtert sich. Zudem erhöhen dezentrale
Speicher die Bilanzkomplexität. Nichtsdestotrotz werden dezentrale, stationäre Stromspeicher eine zunehmende Rolle im Stromsystem
spielen.
Abbildung 13 und Abbildung 14 zeigen die
Emissionsergebnisse für den in Kapitel 1.1.1
dargestellten Strommix über die Zeit.
Die mit Abbildung 13 und Abbildung 14 korrespondierenden Daten sind in Tabelle 4-3 aufgeführt. Negative Emissionen ergeben sich aus
Gutschriften.
Eine zusätzliche, methodische Unsicherheit besteht mit der Einführung der sogenannten
Schnellladung (engl. „fast charge“ 9). Diese wird
aus Netzstabilitätsgründen kaum noch ohne lokalen Zwischenspeicher auskommen, der mit einem Zykluswirkungsgrad behaftet ist. Abhängig
von der Ladespannung steigen bei der Schnellbeladung die Ladeverluste quadratisch mit dem
Stromfluss (PV ~ I²). Der Energieaufwand für
die Strombereitstellung steigt damit insgesamt
an. Annahmen über den Anteil von Schnellbeladung sowie mögliche Rückwirkungen auf die
Strominfrastruktur sind noch in der Diskussion.
Im Rahmen dieser Studie wurde für BEVs keine
Schnellladung angenommen.
Ein Konsens über die – je nach Fragestellung –
adäquate anzuwendende Bilanzmethode zur Berechnung des Strommixes für Batteriefahrzeuge
steht noch aus. Mit Blick auf die zu betrachtenden Zeiträume bis 2050 und den damit verbundenen hohen Anteilen an Erneuerbaren im
Strommix verliert zumindest das „additionality“
Kriterium an Signifikanz. Die Anwendungsrelevanz und Methodik von leistungsbilanziellen
Verfahren sind noch unklar. Daher wird im
Rahmen dieser Studie mit Ansatz (1) der energiebilanzielle Stromerzeugungsmix eines Jahres
in Deutschland verfolgt.
4.3.2
Emissionsfaktoren für Strommix
Für eine ausführliche Beschreibung der Strombereitstellungspfade sowie Annahmen zu technischen Parametern, siehe Kapitel 8.3 im Annex.
9
26
Siehe
z.B.
die
Industrieinitiativen
„CHAdeMO“ (http://www.chademo.com) sowie „Combined Charging System“ (IEC
62196) für Standards zur Schnellbeladung von
Batterien mit Wechsel- und Gleichstrom.
Strommix Leitstudie 2011 "Basisszenario A" - Vorkettenemissionen "Well-to-Tank"
120
CO2eq [gCO2eq/MJ]
100
CO2 [gCO2/MJ]
CO2, CO2eq [g/MJ]
80
60
40
20
0
2020
2030
2040
2050
Abbildung 13:
Emissionsfaktoren für CO2 und CO2eq für Strommix „Well-to-Tank“
Strommix Leitstudie 2011 "Basisszenario A" - Vorkettenemissionen "Well-to-Tank"
CH4, N20, NMVOC, NOx, SO2, CO, Staub&Partikel [g/MJ]
0,25
CH4 [g/MJ]
N2O [g/MJ]
NMVOC [g/MJ]
NOx [g/MJ]
SO2 [g/MJ]
CO [g/MJ]
Staub&Partikel [g/MJ]
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
2020
2030
2040
2050
Abbildung 14:
Emissionsfaktoren von Nicht-CO2-Treibhausgasen und Schadstoffen für
Strommix „Well-to-Tank“
27
Tabelle 4-3:
Emissionen aus der Bereitstellung von Strom „Well-to-Tank“
[g/MJ]
Kohlendioxid
(CO2)
Methan
(CH4)
Lachgas
(N2O)
Treibhausgase
(CO2-Äquivalente)
Flüchtige Nichtmethanverbindungen
(NMVOC)
Stickoxide
(NOx)
Schwefeldioxid
(SO2)
Kohlenmonoxid
(CO)
Staub und Partikel
(u.a. PM)
Tabelle 4-4:
2020
2030
2040
2050
90,2
56,3
30,8
14,7
0,206
0,174
0,125
0,093
0,0051
0,0041
0,0029
0,0021
96,9
61,8
34,8
17,6
0,0087
0,0078
0,0069
0,0053
0,1260
0,0932
0,0746
0,0596
0,0628
0,0372
0,0237
0,0144
0,0770
0,0663
0,0628
0,0552
0,0242
0,0090
0,0031
-0,0008
CO2-Intensität der Stromerzeugung für Elektromobilität (mit/ohne zusätzlichen
EE-Ausbau; mit/ohne Lademanagement (LM)) im Vergleich zur CO2-Intensität
des deutschen Strommixes [OPTUM 2011, Tab. 18, S. 92]
ohne zusätzlichen
EE-Ausbau
2020
2030
g CO2/kWhel
g CO2/MJel
g CO2/kWhel
g CO2/MJel
mit zusätzlichem
EE-Ausbau (Wind)
ohne LM
mit LM
ohne LM
mit LM
Vergleich:
deutscher
Strommix *
894
248
713
198
888
247
752
209
54
15
62
17
0
0
17
5
519
144
490
136
* inklusive des Energieaufwandes für den Bau der erneuerbaren Kraftwerke und der damit verbundenen
Treibhausgasemissionen (‚graue Emissionen‘)
4.3.3
Vergleich mit anderen Veröffentlichungen
Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse dieser
Studie mit anderen wissenschaftlichen Analysen
zu ermöglichen, sind in Tabelle 4-4 die Ergebnisse des BMU-Projektes „OPTUM“ dargestellt.
Der Grund für die im Vergleich zur vorliegenden Studie relativ hohen CO2-Emissionen für
Strom aus dem Strommix liegt hauptsächlich in
den höheren Anteilen fossiler Stromerzeugung
und speziell durch Kohlekraftwerke erzeugten
Stroms. In [OPTUM 2011] wurden darüber hinaus der Energieaufwand und die damit verbundenen CO2-Emissionen aus dem Bau der erneuerbaren Kraftwerke mit einbezogen. Der Einfluss der Energieaufwände für den Bau der erneuerbaren Kraftwerke ist im Vergleich zum
höheren Anteil fossiler Stromerzeugung von untergeordneter Bedeutung. In [OPTUM 2011] ist
nicht klar, ob nur die CO2-Emissionen oder auch
andere Treibhausgase berücksichtigt wurden.
Die Treibhausgasemissionen aus der Bereitstel28
lung der in den Kraftwerken eingesetzten
Brennstoffe sind sowohl in [OPTUM 2011] als
auch in dieser Studie berücksichtigt.
Im OPTUM-Projekt wurden zudem Sensitivitäten der Ergebnisse bezüglich unterschiedlichen
Annahmen in der Bilanzmethodik untersucht,
z.B. auch die gerade notwendige Stromerzeugung, die zur Deckung des BEV-Ladens zusätzlich aktiviert werden muss (marginale Leistungsbereitstellung), siehe Diskussion hierzu im
Eingang zu diesem Kapitel 1 auf Seite 21.
4.3.4
Energieeinsatz für Strommix
Abbildung 15 zeigt den Energieeinsatz für die
Bereitstellung von Strom, aufgeteilt auf die einzelnen Primärenergiequellen. Der Energiegehalt
des erzeugten Stroms ist im Energieeinsatz enthalten. Der Gesamtenergieeinsatz entspricht
dem Kehrwert des Bereitstellungsnutzungsgrades.
Strommix Leitstudie 2011 "Basisszenario A" - Energieaufwand "Well-to-Tank"
2,50
erneuerbarer Energieaufwand [MJ/MJ]
nuklearer Energieaufwand [MJ/MJ]
fossiler Energieaufwand [MJ/MJ]
Energieaufwand [MJ/MJ]
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
2020
2030
2040
2050
Abbildung 15:
Energieeinsatz für die Bereitstellung von Strom (Quelle: LBST auf Basis
Strommix Leitstudie 2011 „Basisszenario A“)
Die zu Abbildung 15 gehörenden Zahlen sind in der folgenden Tabelle 4-5 zusammengestellt.
Tabelle 4-5:
Energieeinsatz für die Bereitstellung von Strom „Well-to-Tank“
[MJ/MJ]
2020
2030
2040
2050
Fossil
0,98
0,67
0,39
0,21
Nuklear
0,43
0,00
0,00
0,00
Erneuerbar
0,56
0,82
0,96
1,06
Summe
1,97
1,49
1,35
1,27
29
30
Kap. 5 Berechnung der Szenarien in TREMOD
5 Berechnung der Szenarien in
TREMOD
5.1
Berechnungsablauf
5.1.1
Übersicht
In TREMOD werden die Emissionen des Straßenverkehrs für jedes Bezugsjahr in folgenden
Teilschritten berechnet:
Aufbereitung des Fahrzeugbestands und
dessen Fahrleistungsverteilung nach verbrauchsund emissionsrelevanten Fahrzeugschichten und Fahrzeugalter für jede
Fahrzeugkategorie.
Aufteilung der Jahresfahrleistung auf die
Straßenkategorien und Verkehrssituationen
je Fahrzeugkategorie.
Aufbereitung der Verbrauchs- und Emissionsfaktoren für jede relevante Fahrzeugschicht und Verkehrssituation.
Für die Berechnung von TREMOD-Ergebnissen
werden weitere Datensätze verwendet:
Emissionsfaktoren für die Bereitstellung der
Energieträger zur Berechnung der Well-toWheel-Emissionen.
Energiebilanz zum Abgleich der mit
TREMOD berechneten Ergebnisse für den
Inlandsverkehr; die mit der Energiebilanz
abgestimmten Ergebnisse werden z.B. für
den Nationalen Inventarbericht benötigt. In
dieser Studie werden nur Inlandsergebnisse
dargestellt.
Abschließend werden die Teilergebnisse verknüpft und der jährliche Energieverbrauch und
die Emissionen für den Straßenverkehr insgesamt sowie für alle gewünschten Aufteilungen
und Aggregationen berechnet.
Abbildung 16 gibt einen Überblick über den Ablauf der Berechnung. Nachfolgend sind die
wichtigsten Zwischenschritte sowie die zur Berechnung benötigten Eingangsdaten näher erläutert.
5.1.2
Fahrzeugbestand und Fahrleistungsverteilung
Bei der Aufbereitung des Fahrzeugbestands
wird zwischen zwei Modi unterschieden:
Realdaten: Der statistisch erfasste Fahrzeugbestand wird direkt aus einer vom KBA
bereitgestellten
Datenbank
in
die
TREMOD-Struktur überführt.
Szenarien: Für die Szenarienrechnung wird
der zukünftige Fahrzeugbestand in der
TREMOD-Struktur auf Basis von Annahmen zur Anzahl der Neuzulassungen, jeweils unterteilt nach den relevanten Fahrzeugschichten, sowie geeigneten Überlebenskurven in einem Umschichtungsmodell
berechnet.
Im Rahmen dieser Studie wird ausschließlich
die Szenarienrechnung betrachtet, da die neuen
Fahrzeugkonzepte noch nicht in relevanten
Stückzahlen im aktuellen Fahrzeugbestand enthalten sind und daher noch nicht im TREMOD
„Realbestand“ berücksichtigt werden.
Für die Szenarienrechnung werden folgende Informationen je Fahrzeugkategorie und Zulassungsjahr benötigt:
Anzahl Neuzulassungen.
Anteil der Fahrzeugsegmente (definiert
durch die Antriebsart und Größenklasse) an
den Neuzulassungen.
Anteil der Emissionsstandards an den Neuzulassungen je Fahrzeugsegment.
Überlebenskurve je Segment: Die Überlebenskurve gibt an, welcher Anteil der Neuzulassungen nach 1, 2, bis 30 Jahren noch
im Bestand enthalten ist. Der Jahrgang 30
beinhaltet dabei auch alle älteren Fahrzeuge.
Für die TREMOD-Berechnung wird nicht der
Absolutbestand verwendet, sondern die Bestandsverteilung nach Antrieb, Größenklasse,
Emissionsstandard und Alter. Da für die Emissionen bzw. den Verbrauch nicht der Fahrzeugbestand, sondern dessen Fahrleistungen entscheidend sind, werden die differenzierten Bestandsanteile in Fahrleistungsanteile umgerechnet. Dabei werden verschiedene Gewichtungsfaktoren und –funktionen verwendet. Diese
31
EFA: Emissionsfaktor
BEFA: Basis-EFA
FL:
Fahrleistung
VS: Verkehrssituation
Fz: Fahrzeug
Neuzulassungen
Überlebenskurven
Altersverteilung
Bestand
Emissionsstandards
pro Baujahr
Bestandsanteile
Fahrzeugschichten
Fahrleistungsrelationen
Gesamtfahrleistung
FL-Anteile je
Straßenkategorie
FL je
Straßenkategorie
Anteile VS je
Straßenkategorie
BEFA warm je
Fz-Schicht und VS
FL-Anteile je
Straßenkategorie
und Fz-Schicht
Fahrleistung nach
VS
EFA warm je
Fz-Schicht und VS
FL-Korrektur
Kraftstoffabhängige EFA
EFA
nicht-regulierter
Komponenten
Kaltstartfaktoren
Temperatur-/Fahrweitenverteilung,
Abstelldauer
Kaltstartzuschlag je
Start und
Fz-Schicht
Anzahl Starts und
Stopps
Verdunstung:
Abstellfaktoren
Abstellemissionen
je Abstellvorgang
und Schicht
Verdunstung:
Tankatmungsfaktoren
Tankatmung je
Fahrzeug und Tag
Abbildung 16:
32
Bestand
Berechnungsablauf Straßenverkehr in TREMOD
Fahrleistungen,
Energieverbrauch,
Emissionen nach
Straßenkategorien
und Schichten
berücksichtigen, dass Fahrzeuge verschiedener
Antriebsart, Größe und Alter unterschiedliche
Jahresfahrleistungen sowohl insgesamt als auch
auf verschiedenen Straßenkategorien haben.
Ein neues Element zur Fahrleistungsaufteilung,
das im Rahmen dieser Studie in TREMOD implementiert wurde, ermöglicht die Differenzierung des Fahrleistungsanteils nach Kraftstoffart.
Diese Differenzierung ist wichtig für alle Fahrzeuge mit verschiedenen Antriebsmöglichkeiten,
z.B. CNG/Benzin oder – bei den neuen PHEVKonzepten – Benzin/elektrisch.
Beispiele für die verwendeten Bestands- und
Fahrleistungskennzahlen werden in Kapitel
5.2.3 dargestellt.
5.1.3
Gesamte Jahresfahrleistung
Die gesamte Jahresfahrleistung wird je Fahrzeugkategorie und Bezugsjahr in TREMOD
vorgegeben. Zur Verknüpfung mit den Fahrleistungsanteilen (siehe voriges Kapitel) und den
Verbrauchs- und Emissionsfaktoren (siehe nachfolgendes Kapitel) wird die Gesamtfahrleistung
weiter aufgeteilt auf Straßenkategorien (Innerorts, Außerorts, Autobahn) und innerhalb jeder
Straßenkategorie auf Verkehrssituationen (z.B.
freier Verkehr, stop-and-go) sowie Längsneigungsklassen. Dieser Berechnungsteil verwendet demnach je Fahrzeugkategorie und Bezugsjahr
die Gesamtfahrleistung,
die Anteile der Straßenkategorien an der
Gesamtfahrleistung,
die Anteile der Verkehrssituationen und
Längsneigungsklassen an der Fahrleistung
je Straßenkategorie.
Die Gesamtfahrleistung je Fahrzeugkategorie ist
im Modell unabhängig vom Fahrzeugbestand.
Die sich aus der Gesamtfahrleistung und dem
Bestand ergebende mittlere Jahresfahrleistung je
Fahrzeugkategorie muss im Nachgang plausibilisiert und ggf. korrigiert werden. Eine exakte
Anpassung des Fahrzeugbestands bzw. der mittleren Fahrleistung an eine gewünschte Vorgabe
ist dabei nicht erforderlich, da die Emissionsergebnisse allein von der Höhe der Gesamtfahrleistung abhängen.
5.1.4
Fahrzeugkategorien:
Die Emissionsfaktoren differenzieren i.d.R.
nach Antrieb, Größenklasse und Emissionsstandard; bei einigen Fahrzeugschichten und
Komponenten ist der Emissionsfaktor zusätzlich abhängig von der Laufleistung. Einige Komponenten, beispielsweise CO2 und
SO2, sind nicht vom Fahrzeugkonzept abhängig, sondern vom Kohlenstoff- und
Schwefelgehalt im Kraftstoff. Andere
Komponenten sind zwar vom Fahrzeugkonzept abhängig, werden aber mit Hilfe von
Anteilsfaktoren, bezogen auf eine Leitkomponente, berechnet, z.B. alle Bestandteile
der Kohlenwasserstoffe sowie NO2.
Der Energieverbrauch wird differenziert
nach Antriebsart, Größenklasse und Fahrzeugalter. Dazu wird für jedes Fahrzeugsegment ein Referenzfahrzeug eines bestimmten Zulassungsjahrs festgelegt. Die
zeitliche Entwicklung wird über prozentuale
Effizienzkurven abgebildet, die in den
Szenarienrechnungen variiert werden können.
Verkehrssituationen und Längsneigungsklasse:
Alle Verbrauchs- und Emissionsfaktoren
liegen für die relevanten Verkehrssituationen und Längsneigungsklassen vor. Aufgrund des hohen Rechenaufwands werden
die Emissions- und Verbrauchsfaktoren bereits im HBEFA vor der Übernahme in
TREMOD zu Werten je Straßenkategorie
zusammengefasst.
Neben den kilometerabhängigen Verbrauchsund Emissionsfaktoren werden bei Pkw die zusätzlichen Emissionen durch Kaltstart und Verdunstung berücksichtigt.
5.1.5
Emissionsfaktoren für die Energiebereitstellung
Die Emissionsfaktoren für die Energiebereitstellung sind in TREMOD für jeden Energieträger
in der Einheit „g/MJ“ integriert. Verknüpft mit
dem berechneten Endenergieverbrauch ergeben
sich die WtW-Emissionen. Es ist in TREMOD
möglich, verschiedene Bereitstellungsvarianten
zu definieren und in den Szenarienrechnungen
zu verwenden.
Emissions- und Verbrauchsfaktoren
Die Emissions- und Verbrauchsfaktoren werden
vom Handbuch Emissionsfaktoren [HBEFA] geliefert. Sie sind differenziert nach:
33
5.2
5.2.1
Erweiterung der TREMODStruktur
Segmentierung der Fahrzeuge
In TREMOD werden die Fahrzeugkategorien
nach Antriebsart, Größenklasse, Emissionsstandard und Fahrzeugalter unterschieden. Bisher
wurden beim Pkw drei Hubraumklassen unterschieden (HR<1,4l, 1,4≤HR≤2l, HR>2l). Diese
Unterscheidung ist in der Historie der Modellierung begründet, da sich frühere Abgasgrenzwerte an diesen drei Hubraumklassen orientiert haben. Dementsprechend ist die Modellierung der
Emissionen von Pkw in den europäischen VerkehrsemissionsModellen (HBEFA, TREMOD,
COPERT10) noch abgestimmt auf diese Unterscheidung.
Eine Differenzierung nach Hubraumklassen ist
jedoch für neue Fahrzeugkonzepte nicht mehr
sachgerecht, da ein Verbrennungsmotor entweder gar nicht vorhanden ist oder aber in einer
Hybridkonfiguration völlig anders ausgelegt ist
als in einem Fahrzeug mit reinem Verbrennungsmotor-Antrieb. Daher ist eine passende
10
34
Eigenschaft zur Beschreibung der Fahrzeuggröße gefordert.
Für eine Unterteilung der neuen Fahrzeugkonzepte in Größenklassen müssen statistisch verfügbare Kenngrößen verwendet werden. Hierzu
bietet sich eine Unterteilung nach Marktsegmenten an, wie sie vom KBA und auch in anderen
Studien verwendet wird, z.B. in der „Coalition
Study“ [McKinsey 2011].
In der Regel wird nach mindestens sieben
Marktsegmenten unterschieden mit zusätzlichen
Unterteilungen (z.B. Minivans/Großraum-Vans)
oder spezielle Fahrzeuggruppen (Sportwagen,
Wohnmobile, Utilities). Für die Modellierung
des Energieverbrauchs und der Emissionen von
Pkw wurde vom Projektteam wie bisher eine
Unterscheidung nach drei Größenklassen als
ausreichend angesehen. Daher werden die
Marktsegmente für die Modellierung zu den drei
Größenklassen Kleinwagen (klein), Mittelklasse
(mittel) und Oberklasse (groß) zusammengefasst. Grundlage sind die Unterteilung des KBA
und die Kategorien der „Coalition Study“. Die
Definition der Größenklassen in TREMOD ist in
Tabelle 5-1 dargestellt (siehe auch Seite 14).
COPERT – COmputer Programme to calculate
Emissions from Road Transport
Tabelle 5-1:
Segmentierung der Pkw nach Größenklassen
Coalition Study
Größenklasse in TREMOD
KBA-Bezeichnung
A,B
„klein“ – Kleinwagen-Klasse
Mini, Kleinwagen
C, M1
„mittel“ – Mittelklassefahrzeuge
Kompaktklasse, Mittelklasse, Mini-Vans
D, E, M2, J1, J2, S
„groß“ – Oberklassefahrzeuge
Obere Mittelklasse, Oberklasse, Großraum-Vans, Utilities, Geländewagen, Sportwagen, Wohnmobile
Die Unterscheidung gilt für alle neuen Fahrzeugsegmente. Für die aktuell im Feld vertretenen Fahrzeugsegmente wird die alte Unterteilung nach Hubraumklassen beibehalten, da eine
rückwirkende Umstellung im Modell sehr aufwändig wäre.
leichtert, dass wichtige mittlere Kenngrößen
(Verbrauch, Leistung, Leergewicht) der definierten drei Größenklassen, entweder nach
Hubraumklassen oder nach Kaufsegmenten des
Altbestands, ähnlich sind. Dies zeigt eine aktuelle Auswertung von KBA-Daten für das Jahr
2010 (siehe Tabelle 5-2).
Eine Beibehaltung der bisherigen Hubraumklassen für den Altbestand wird dadurch er-
Tabelle 5-2:
Ausgewählte Kennzahlen der Pkw-Neuzulassungen in Deutschland 2010 nach
Größenklassen (Hubraum vs. Kaufsegment) [KBA 2010]
Kennzahl
Klein
Benzin
Diesel
Neuzulassungen
Nach Hubraumklasse
Nach Kaufsegment
0,99
0,68
0,03
0,07
Mittlere Leistung
Nach Hubraumklasse
Nach Kaufsegment
66
59
55
66
1.171
1.082
1166
1.195
5,8
5,6
4,1
4,2
Mittleres Leergewicht
Nach Hubraumklasse
Nach Kaufsegment
Mittlerer Verbrauch
Nach Hubraumklasse
Nach Kaufsegment
Entscheidend für die TREMOD-Modellierung
ist der mittlere Kraftstoffverbrauch je Antriebsart und Segment. Bei konventionellen Fahrzeugen lag der Verbrauchsunterschied zwischen der
Hubraum- und Kaufsegment-Klassifizierung im
Jahr 2010 - mit Ausnahme der großen BenzinPkw - bei maximal 5 %.
Aufgrund dieser guten Übereinstimmung ist es
Mittel
Benzin
Diesel
in Mio. Fahrzeuge
0,58
0,87
0,76
0,61
Groß
Benzin
Diesel
0,10
0,22
0,31
0,52
215
140
148
125
in kg
1.407
1.552
1.378
1.518
1.729
1.586
1.924
1.840
in l/100 km
7,1
5,6
6,7
5,4
9,8
8,4
7,1
6,8
in kW
100
94
97
101
für die Modellierung der zukünftigen Entwicklung zulässig, den Altbestand nach Hubraumklassen fortzuführen und für die Modellierung
der zukünftigen Fahrzeugbestände die neue
Segmentierung zu verwenden.
Bei den übrigen Fahrzeugkategorien wird die
bisherige Unterteilung nach Größenklassen auch
für die neuen Fahrzeugkonzepte übernommen.
35
5.2.2
Integration der Fahrzeugkonzepte
mit Elektro- und Wasserstoffantrieb
In GermanHy wurde der zukünftige Wasserstoffbedarf durch die Einführung von Fahrzeugen mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb bei
den Fahrzeugkategorien Pkw, leichte Nutzfahrzeuge (LNF) und Linienbusse abgeschätzt.
Dementsprechend sind diese Antriebskonzepte
bei den entsprechenden Fahrzeugkategorien in
Tabelle 5-3:
Neue Antriebskonzepte in TREMOD
Fahrzeugkat.
Antriebskonzept
Weitere Merkmale
Pkw
Brennstoffzelle (FCEV)
Größenklassen klein, mittel, groß; weitere Unterteilung
zur Modellierung der Substitution von Benzin- und DieselPkw
Elektromotor, batterieelektrisch
(BEV)
Größenklassen klein, mittel, groß
Plug-in Hybrid (PHEV)
LNF
Linienbus
Weitere aktuelle Konzepte sind Pkw, LNF und
Linienbusse, die mit Erdgas oder Flüssiggas betrieben werden, sowie Pkw mit Hybridantrieb
Benzin/Elektro. Da diese Fahrzeuge nicht mit
der den Szenarienrechnungen dieser Studie zugrunde liegenden TREMOD-Version modellierbar sind, werden sie hier nicht betrachtet.11
5.2.3
5.2.3.1
Annahmen zur
und -effizienz
Fahrzeugnutzung
Übersicht
In den Szenarien müssen alle Fahrzeugeigenschaften der neuen Fahrzeugkonzepte, die mit
TREMOD abgebildet werden sollen, definiert
werden. Damit sind alle für die Berechnung benötigten Parameter, die in Kapitel 1.1 beschrieben wurden, festzulegen.
Bisher gibt es wenige Informationen über die
mögliche Markteinführung und Nutzung der
hier betrachteten neuen Fahrzeugkonzepte. Verschiedene Studien beschäftigen sich mit den Potenzialen und beschreiben in Szenarien plausible
11
36
TREMOD zu berücksichtigen. Zusätzlich wurde
vom Projektteam beschlossen, ein weiteres Szenario zu berechnen, das die derzeitig wahrscheinliche Einführung von Fahrzeugen mit
Elektroantrieb berücksichtigt. Im Gegenzug
wurde darauf verzichtet, entsprechende Szenarien für LNF und Linienbusse innerhalb des Projektes zu erarbeiten. Demensprechend beziehen
sich die im Projekt berechneten Szenarien allein
auf den Pkw-Verkehr.
Erdgas und Flüssiggas werden ab TREMODVersion 5.3 (Stand September 2012) berücksichtigt. Die Szenarienrechnungen im Rahmen
dieser Studie basieren auf der Version 5.2 vom
November 2011).
Größenklassen klein, mittel, groß, Antriebsarten Benzin/elektrisch und Diesel/elektrisch
Drei Gewichtsklassen (Leergewicht gemäß Abgasgesetzgebung)
Drei Gewichtsklassen (Midi, Standard, Gelenkbus)
mögliche Entwicklungen unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen.
Auf der technischen Seite - hier interessiert insbesondere der spezifische Energieverbrauch in
verschiedenen Einsatzmodi - liegen Angaben für
verschiedene Prototypen vor, außerdem gibt es
umfangreiche Untersuchungen zur weiteren
Entwicklung der technischen Potenziale dieser
Konzepte (z.B.: [JEC 2011]).
Im Rahmen dieser Studie wird auf vorliegenden
Arbeiten und den dort formulierten Annahmen
aufgebaut. Basis sind vor allem das bisherige
TREMOD-Basisszenario [IFEU 2011] und weitere u.a. von den Projektpartnern erstellte Arbeiten
([GermanHy
2009],
[IFEU 2010],
[UBA 2006]).
Die Berechnung in TREMOD erfolgt auf Basis
einer differenzierten Auflösung der Eingangsparameter in Antriebsarten, Größenklassen und Alter der Fahrzeuge sowie einer Verteilung der
Fahrleistungen auf die verschiedenen Straßenkategorien mit entsprechend aufgelösten Energieverbrauchs- und Emissionsfaktoren. In dieser
Detaillierung liegen bisher nur wenige Erfahrungswerte vor, so dass im Rahmen dieser Studie vereinfachte Annahmen für die Fahrzeugnutzung getroffen werden, die sich an die konventionellen Fahrzeugkonzepte anlehnen (Details siehe Kapitel 5.2.3.2):
FCEVs und PHEVs verhalten sich wie die
Fahrzeuge, die sie ersetzen;
BEVs: eigene Annahmen;
fehlende Annahmen (Anteil elektrischer
Fahrleistung bei PHEVs, spezifischer Verbrauch für alle Konzepte) werden anhand
vorliegender Untersuchungen ergänzt.
Grundsätzlich erlaubt die so erweiterte
TREMOD-Version eine Berechnung auf Basis
sehr differenzierter Annahmen, die berücksichtigt werden können, falls belastbare Informationen vorliegen.
In diesem Kapitel werden alle in der Modellierung verwendeten Parameter beschrieben, die
sich auf das einzelne Fahrzeug beziehen:
Das Überlebensverhalten.
Die mittlere Jahresfahrleistung in Abhängigkeit von Antriebsart, Größenklasse, Zulassungsjahr auf verschiedenen Straßenkategorien und – bei Hybridfahrzeugen in verschiedenen Antriebsmodi (z.B. Verbrennungs- vs. Elektrobetrieb).
Spezifischer Energieverbrauch und Emissionsfaktoren.
Alle Parameter und Annahmen zur gesamten
Flottenentwicklung und Gesamtfahrleistung für
die beiden Szenarien „Brennstoffzelle-Klima“
und „Elektromobilität“ werden in Kapitel 1.1
beschrieben.
5.2.3.2
Fahrzeugbestand
tungsverteilung
und
Fahrleis-
Basis der Bestandsmodellierung sind die Anzahl
der jährlichen Neuzulassungen und das Überlebensverhalten der Fahrzeuge im Zeitverlauf. In
TREMOD wird für jedes Fahrzeugsegment (beschrieben durch Antriebsart und Größenklasse)
und jedes Zulassungsjahr das weitere Überlebensverhalten mit einer Überlebenskurve beschrieben, die für alle Folgejahre die im Bestand
verbliebenen Fahrzeuge bezogen auf die Neuzulassungen beschreibt.
Die Überlebenskurven wurden in der Vergangenheit aus der KBA-Statistik für Benzin- und
Diesel-Pkw der drei Größenklassen abgeleitet,
indem über mehrere Jahre die Veränderung im
Bestand beobachtet und daraus mittlere Überlebenswahrscheinlichkeiten abgeleitet wurden.
Statistische Änderungen (z.B. 2008 der Wegfall
der vorübergehend abgemeldeten Fahrzeuge)
und Sondereinflüsse (z.B. der Einfluss der Abwrackprämie in 2009) führen dazu, dass aus den
aktuellen Zeitreihen keine repräsentativen Überlebenswahrscheinlichkeiten abgeleitet werden
können. Daher wurden die aus den Bestandsentwicklungen 2001 bis 2006 abgeleiteten Überlebenskurven modifiziert, um die tendenziell zu
beobachtende Verlängerung der Lebenszeit von
Fahrzeugen abzubilden. Diese modifizierten
Kurven aus dem TREMOD-Basisszenario werden auch hier verwendet.
Die abgeleiteten Kurven beschreiben, welcher
Anteil der Fahrzeuge eines Zulassungsjahrgangs
nach einem, zwei und allen folgenden Jahren
noch im Fahrzeugbestand verbleibt.
Für die neuen Fahrzeugkonzepte gibt es bisher
keine Anhaltspunkte für ihre mögliche Lebensdauer. Bisherige Studien beziehen sich meist auf
einen angenommenen Fahrzeugbestand in einem
bestimmten Jahr und treffen daher keine relevanten Aussagen. Es gibt auch keine belastbaren
Informationen, welche die Ableitung eines deutlich unterschiedlichen Überlebensverhaltens der
neuen Fahrzeugkonzepte ermöglichen könnten
(z.B. Einfluss der Batterielebensdauer). Daher
wird hier die Annahme getroffen, dass die neuen
Fahrzeugkonzepte das gleiche Überlebensverhalten aufweisen wie die konventionellen Fahrzeuge, die sie ersetzen. Alle FCEVs und PHEVs
werden daher mit den gleichen Überlebenskurven fortgeschrieben wie die ersetzten Benzinund Dieselfahrzeuge der entsprechenden Größenklasse. Bei den BEVs wird angenommen,
dass sie das Überlebensverhalten von mittleren
Benzin-Pkw haben.
Die verwendeten Überlebenskurven (einschließlich der Zusammenfassung der Fahrzeuge mit
einem Alter ab 30 Jahren im Altersjahrgang -30)
sind in der folgenden Abbildung dargestellt.
37
110%
Pkw Diesel, FCEV, PHEV groß
100%
90%
Pkw Diesel, FCEV, PHEV klein/mittel
80%
Pkw Benzin, FCEV, PHEV, BEV
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
Abbildung 17:
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
-20
-22
-24
-26
-28
-30
Verwendete Überlebenskurven der konventionellen Pkw für die neuen
Fahrzeugkonzepte
Die Fahrleistungsrelationen (FL-Relationen) berücksichtigen die unterschiedlichen mittleren
Fahrleistungen der unterschiedlichen Fahrzeugsegmente und werden in TREMOD je Straßenkategorie angegeben. Bezogen werden sie auf
kleine Benzin-Pkw (100 %). Fährt ein mittleres
Fahrzeug eines anderen Segments (z.B. große
Diesel Pkw) mehr als ein mittlerer kleiner Benzin-Pkw, ist der Relationswert für dieses Segment höher als 100 % (z.B. 380 % auf Autobahnen, d.h. die Fahrleistung eines mittleren großen
Diesel-Pkws ist auf Autobahnen 3,8mal höher
als die eines mittleren kleinen Benzin-Pkws
(siehe Abbildung 18).
Die bisher abgeleiteten Verteilungen für konventionelle Fahrzeuge werden auch für die neuartigen Konzepte mit prinzipiell ähnlichen Nutzungsmöglichkeiten (PHEVs und BZEVs) angenommen. Lediglich für BEVs werden die Annahmen modifiziert. Dabei werden die folgenden Randbedingungen der Nutzung zugrunde
gelegt:
BEVs werden aufgrund der hohen Fahrzeugkosten nur dann in größerer Stückzahl
gekauft, wenn sie viel genutzt werden. Die
mittlere Jahresfahrleistung der BEV sollte
daher höher sein als die von konventionellen Benzin-Fahrzeugen.
Aufgrund der eingeschränkten Reichweite
erfolgt der Einsatz von BEV vor allem auf
kurzen und mittleren Strecken und damit
häufiger im städtischen Bereich und dessen
Umgebung.
Eine weitere Relation beschreibt die Abhängigkeit der Fahrleistung vom Fahrzeugalter. Diese
ist je Fahrzeugsegment und Straßenkategorie
unterschiedlich.
Basis aller Relationen sind v.a. Fahrleistungserhebungen, die 1993 und 2002 durchgeführt
wurden (siehe Beschreibung in [IFEU 2011]).
Im Wesentlichen werden dadurch die folgenden
Fahrleistungseigenschaften abgebildet:
Diesel-Pkw haben eine höhere Jahresfahrleistung als Benzin-Pkw;
große Pkw haben eine höhere Jahresfahrleistung als kleine Pkw;
neue Pkw haben eine höhere Jahresfahrleistung als ältere Pkw;
Pkw mit einer höheren Jahresfahrleistung
haben einen höheren Fahrleistungsanteil auf
Autobahnen als andere.
38
-18
Um diese Annahmen abzubilden, werden folgende Fahrleistungsrelationen für BEVs definiert:
die Innerortsfahrleistung eines BEVs ist um
80 % höher als die eines Benzin-Pkw gleicher Größe;
die Außerortsfahrleistung ist um 30 % höher;
die Autobahnfahrleistung ist gleich;
die Fahrleistungs-Relationen nach Fahrzeugalter entsprechen denjenigen der Benzin-Pkw;
Mit diesen Annahmen werden die angenommenen mittleren Fahrleistungen in den Szenarien
abgebildet (siehe Tabelle 5-8 auf Seite 48).
Die folgenden Abbildungen zeigen die angenommenen Fahrleistungsrelationen für alle
Fahrzeugsegmente in den Szenarien.
Diesel konv, PHEV, FCEV groß
Diesel konv, PHEV, FCEV mittel
Diesel konv, PHEV, FCEV klein
Benzin konv, PHEV, FCEV groß
Innerorts
Benzin konv, PHEV, FCEV mittel
Außerorts
Benzin konv, PHEV, FCEV klein
Autobahn
BEV groß
BEV mittel
BEV klein
0%
100%
200%
300%
400%
Lesebeispiel: Große Diesel-Pkw (bzw. große Neufahrzeuge, die konventionelle Diesel-Pkw ersetzen)
haben auf Autobahnen die 3,8-fache Fahrleistung als kleine Benzin-Pkw
Abbildung 18:
Fahrleistungsrelation der Segmente je Straßenkategorie (Benzin klein: 100 %)
Autobahn
120%
Benzin konv, FCEV, BEV, PHEV mittel
Außerorts und Innerorts
120%
Diesel konv, FCEV, BEV, PHEV mittel
100%
100%
80%
80%
60%
60%
40%
40%
20%
20%
0%
0%
0 -2 -4 -6 -8 -10-12-14-16-18-20-22-24-26-28-30
Abbildung 19:
0 -2 -4 -6 -8 -10-12-14-16-18-20-22-24-26-28-30
Fahrleistungsrelation nach Fahrzeugalter (Neufahrzeuge=Jahr 0: 100 %)
PHEV-Fahrzeuge können sowohl im Elektroals auch im Verbrennungsbetrieb gefahren werden. Zur Abschätzung des elektrischen Fahranteils werden Analysen von ISI-FHG verwendet
[Kley 2011]. Es wird davon ausgegangen dass
der elektrische Fahranteil hoch sein muss, damit
die PHEVs wirtschaftlich sind. Wegen der noch
hohen Anschaffungskosten zu Beginn der
Markteinführung werden nur solche Nutzer ein
PHEV kaufen, die sehr günstige Fahrprofile und
damit hohe elektrische Fahranteile realisieren
können. Wenn die Anschaffungskosten später
sinken, werden auch vermehrt Nutzer mit anderen Fahrprofilen dazu kommen. Dies bedeutet
39
also, dass Anfangs der Anteil im Elektrobetrieb
höher ist als in späteren Jahren. Damit wird angenommen, dass der mittlere Anteil der Fahrleistung im Elektrobetrieb anfangs bei 80 %
liegt und bis 2050 auf 60 % absinkt. Für die
Modellierung in TREMOD werden diese Annahmen weiter nach Straßenkategorien aufge-
splittet, dabei ist der Anteil auf Innerortsstraßen
am höchsten, auf Autobahnen am niedrigsten.
Diese Anteile werden für alle Größenklassen
und Antriebsarten (d.h. PHEVs, Benzin und
Diesel) angenommen.
Die folgende Abbildung fasst die Annahmen zusammen.
100%
90%
80%
70%
60%
Autobahn
50%
Außerorts
40%
Innerorts
30%
20%
10%
0%
2010
Abbildung 20:
5.2.3.3
2020
2030
2050
Anteile der Fahrleistung im Elektrobetrieb bei PHEVs 2010-2050
Energieverbrauch und Entwicklung
der Energieeffizienz
In TREMOD sind Energieverbrauch und Emissionsfaktoren für jede Fahrzeugschicht nach
Verkehrssituationen differenziert hinterlegt. Basis ist das HBEFA 3.1 [INFRAS 2010]. Die
verwendeten Faktoren sollen den Verbrauch und
die Emissionen im realen Fahrbetrieb abbilden.
Sie werden auf Basis umfangreicher europaweiter Messprogramme in verschiedenen Fahrzyklen ermittelt. Dabei wird nicht nur der gesetzliche Typprüfzyklus verwendet, sondern auch
weitere, auf Basis des realen Fahrverhaltens
entwickelte Fahrzyklen.
Die Aufbereitung und Überführung der Messergebnisse in realistische und repräsentative Emissions- und Verbrauchsfaktoren je Verkehrssituation erfolgt mit dem Modell PHEM (Passenger
Car and Heavy Duty Emission Model) der TU
Graz [TU Graz 2009].
Die abgeleiteten Kennzahlen repräsentieren die
durchschnittliche europäische Fahrzeugflotte.
Beim Kraftstoffverbrauch der Pkw wirken sich
jedoch länderspezifische Unterschiede in der
Flottenzusammensetzung deutlich auf den mitt40
2040
leren Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugsegments (z.B. Benzin, Größenkasse „mittel“) aus.
Aus diesem Grund werden die PkwVerbrauchsfaktoren im HBEFA auf Basis des
europäischen CO2-Monitorings [EEA 2012]
länderspezifisch angepasst. Hierzu wird der
NEFZ-Verbrauch der neuzugelassenen Fahrzeuge im Bezugsjahr 2002 für jedes Land mit dem
Verbrauch der dem HBEFA zugrunde liegenden
Fahrzeugflotte (Referenz: Euro-3 Fahrzeuge,
Baujahr 2002) auf Ebene der Fahrzeugsegmente
verglichen und korrigiert. Ausgehend von diesen
korrigierten Basiswerten wird der zeitliche Verlauf der Verbrauchsentwicklung der Neufahrzeuge anhand der Ergebnisse des CO2Monitoring für die einzelnen Länder als relative
Entwicklung fortgeschrieben.
In TREMOD wird die zeitliche Entwicklung der
neuzugelassenen Pkw anhand der neuesten
Monitoring-Ergebnisse, die in Deutschland vom
KBA aufbereitet werden, jährlich aktualisiert.
Dabei wird nach den Antriebsarten, den drei
Größenklassen und nach Straßenkategorien differenziert. Basis für die Fortschreibung in den
hier entwickelten Szenarien waren die
Monitoring-Ergebnisse bis zum Jahr 2010
[IFEU 2011].
Die Annahmen für die Entwicklung der Energieeffizienz der konventionellen Pkw in den
Szenarien lehnen sich an das aktuelle Basisszenario von TREMOD an. Dieses unterstellt, dass
der für die EU diskutierte Flottenzielwert von 95
g/km für 2020 erreicht wird [EU-KOM 2009].
Der mittlere Flottenwert der Neuzulassungen in
Deutschland im NEFZ für das Jahr 2020 beträgt
damit 108 g CO2/km. Für die Jahre nach 2020
wird eine weitere jährliche Minderung von
1,2 % / Jahr angenommen12.
Die Annahmen werden für die Szenarien in dieser Studie mit einer Änderung übernommen: Da
das TREMOD-Basisszenario noch keine alternativen Antriebe berücksichtigt, wird angenommen, dass durch die Einführung von BEVs,
PHEVs und FCEVs die Anforderungen an die
Effizienzsteigerung bei konventionellen Pkw
weniger anspruchsvoll sein müssen. Nimmt man
für das Jahr 2020 einen Bestand von 1 Mio.
BEVs und PHEVs an, die im Prüfzyklus mit
deutlich geringeren bzw. Null CO2-Emissionen
angerechnet werden, könnten die CO2Emissionen der neue zugelassenen konventionellen Pkw im Jahr 2020 um 7 % höher liegen,
während die Gesamtflotte trotzdem den Grenzwert einhält. Diese Annahme wird hier übernommen.
den Verbrennungsbetrieb werden die Verbräuche der konventionellen Verbrenner mit folgenden Korrekturfaktoren übernommen: Für den
Innerortsverkehr wird ein um 10 % geringerer
Verbrauch angenommen, für Autobahnen ein
um 5 % höherer Wert. Außerorts wird der gleiche Verbrauch wie bei konventionellen Fahrzeugen unterstellt.
Die folgende Tabelle fasst die angenommene
Effizienzentwicklung für die verschiedenen
Fahrzeugkonzepte zusammen. Die Bandbreite
ergibt sich durch die unterschiedlichen Annahmen für die verschiedenen Größenklassen und
Straßenkategorien.
Die übrigen Emissionsfaktoren werden wie im
TREMOD-Basisszenario auf Basis des HBEFA
3.1 übernommen. Dabei wird angenommen,
dass die PHEVs im Verbrennungsbetrieb das
gleiche Emissionsverhalten aufweisen wie die
konventionellen Fahrzeuge mit gleichem Emissionsstandard. Die Emissionsstandards sind bisher bis zur Stufe Euro-6 berücksichtigt. Eine
weitergehende spezifische Minderung der Emissionen nach 2014 wird hier nicht angenommen.
Für die BEVs übernehmen wir die vorläufigen
Verbrauchswerte, die im Rahmen einer Voruntersuchung von IFEU [IFEU 2010] ermittelt
wurden.
Für FCEV-Verbräuche liegen über GermanHy
hinausgehend nur wenige, statistisch belastbare,
neue Erkenntnisse vor (EU-Projekt „H2moves
Scandinavia“ (H2mS). Vorliegende Verbrauchswerte aus den Typprüfungen neuer
FCEVs können nicht als repräsentativ für die
weitere Entwicklung gelten. Wir übernehmen
daher die Annahmen aus [UBA 2006], wie sie
auch in [GermanHy 2009] verwendet wurden.
Für die PHEVs werden ebenfalls Verbrauchswerte abgeschätzt, die sich zum einen an die
Werte der konventionellen Fahrzeuge und zum
anderen an die der reinen BEVs anlehnen. Die
Verbräuche der BEVs werden direkt für den
Elektrobetrieb der PHEVs übernommen. Für
12
Bei diesem Vorgehen wird angenommen, dass
sich der Realverbrauch der Fahrzeuge so entwickelt wie der Verbrauch im Typprüfzyklus
(NEFZ). Neuere Untersuchungen belegen, dass
dies gerade für Fahrzeuge mit niedrigen CO2Eissionen im NEFZ nicht der Fall ist
[EU2011]. Es ist daher geplant, diese Einflüsse
in einer zukünftigen Version des HBEFA und
damit TREMOD zu berücksichtigen.
41
Tabelle 5-4:
Annahmen für die Entwicklung der Energieeffizienz der verschiedenen PkwKonzepte bis 2050 mit Bandbreiten aufgrund der Unterschiede für verschiedene
Größenklassen und Straßenkategorien bezogen auf das Jahr 2010
bis 2030
Fahrzeugkonzept
bis 2050
Bandbreite der Abnahme des spezifischen Kraftstoffverbrauches im Vergleich
zum Jahr 2010
BEV
16 - 21 %
31 - 36 %
Diesel
28 - 36 %
43 - 50 %
FCEV
19 - 30 %
26 - 36 %
Petrol 4stroke
30 - 42 %
45 - 55 %
PHEV Diesel/elektrisch*
26- 34 %
42 - 48 %
PHEV Benzin/elektrisch*
29 - 36 %
45 - 51 %
*PHEV für Verbrennungsbetrieb; für elektrischen Betrieb gleiche Minderungsraten wie BEV
42
5.2.3.4
Zusammenfassung
Die Annahmen zur Modellierung der neuen Fahrzeugkonzepte in TREMOD sind in folgender Tabelle
zusammengefasst.
Tabelle 5-5:
Antriebskonzept
Zusammenfassung Modellierung der neuen Antriebskonzepte
Merkmale der Fahrzeugschichten
Fahrzeugbestand
Fahrzeuge haben das gleiche Überlebensverhalten wie die ersetzten konventionellen Fahrzeuge; Unterscheidung Benzin- und Diesel-Pkw.
Brennstoffzelle
(FCEV)
Fahrzeuge haben die gleichen spezifischen Fahrleistungen wie die ersetzten konventionellen Fahrzeuge; Unterscheidung Benzin- und Diesel-Pkw.
Energie- und Emissionsfaktoren
Keine direkten Emissionen.
Energieeffizienz je Zulassungsjahr, Annahmen zur Entwicklung wie in der
GermanHy-Studie.
Fahrzeugbestand
Fahrzeuge haben das gleiche Überlebensverhalten wie konventionelle Benzin-Pkw.
Elektromotor,
batterieelektrisch
(BEV)
Fahrzeuge haben auf Autobahnen die gleichen mittleren Fahrleistungen wie BenzinPkw, eine um 30 % erhöhte Fahrleistung auf Außerortsstraßen und eine um 80 %
höhere Fahrleistung auf Innerortsstraßen.
Keine direkten Emissionen.
Energieeffizienz je Zulassungsjahr; Annahmen nach IFEU, VW Flottenversuch.
Fahrzeugbestand
Fahrzeuge haben das gleiche Überlebensverhalten wie die ersetzten konventionellen Fahrzeuge; Unterscheidung Benzin- und Diesel-Pkw.
Fahrzeuge haben die gleichen spezifischen Fahrleistungen wie die ersetzten konventionellen Fahrzeuge; Unterscheidung Benzin- und Diesel-Pkw.
Fahrleistungsanteil Elektrobetrieb
Plug-in Hybrid
(PHEV)
Benzin/elektrisch
Diesel/elektrisch
Der Anteil der Fahrleistung im Elektrobetrieb ist auf Autobahnen am geringsten und
im Innerortsverkehr am höchsten.
Zu Beginn der Markteinführung von PHEV ist der Fahrleistungsanteil im Elektrobetrieb am höchsten, da Fahrzeuge hauptsächlich dann gekauft werden, wenn ein hoher Anteil im Elektrobetrieb erwartet wird.
Der Elektroanteil sinkt mit zunehmender Marktdurchdringung, da sich das Einsatzspektrum den konventionellen Fahrzeugen annähert.
Keine direkten Emissionen im Elektrobetrieb.
Emissionsstandards Euro-5 und Euro-6 im Verbrennungsbetrieb; gleiches Emissionsverhalten wie konventionelle Verbrennungsfahrzeuge.
Energieeffizienz je Zulassungsjahr für jeden Antriebsstrang; Energieverbrauch im
Verbrennungsbetrieb angelehnt an die konventionellen Verbrennungsfahrzeuge
(Korrekturfaktoren: Autobahn: +5 %, Innerorts: -10 %); Elektrobetrieb wie BEV.
43
5.3
Aufbereitung der Szenarienannahmen für TREMOD
5.3.1
Entwicklung der Gesamtfahrleistung
und Aufteilung nach Straßenkategorien
Das Basisszenario von TREMOD stützt sich auf
die angenommene Fahrleistungsentwicklung der
Pkw aus der Verkehrsprognose 2025 [BMVBS
2007]. Neuere Untersuchungen, wie z. B. die
beiden Leitstudien von 2010 und 2011 gehen
von geringeren Zuwächsen bei der Pkw-
Fahrleistung und einem Rückgang ab 2030 aus
[Leitstudie 2010, Leitstudie 2011].
Wir verwenden hier die Annahmen zur Fahrleistungsentwicklung aus der Leitstudie 2011 für
beide Szenarien. Danach steigt die PkwFahrleistung bis 2020 nur noch leicht an, bleibt
dann konstant und geht nach 2030 zurück.
In TREMOD müssen zusätzliche Annahmen zur
Aufteilung der Fahrleistung nach Straßenkategorien getroffen werden. Es wird unterstellt, dass
die Innerortsfahrleistung nicht mehr ansteigt, so
dass der Fahrleistungszuwachs bis 2020 auf den
Autobahnen und Außerortsstraßen stattfindet.
Der Rückgang ab 2020 vollzieht sich gleichmäßig in allen Straßenkategorien.
Fahrleistung in verschiedenen Szenarien
Pkw-Fahrleistung in Mrd. km
800
Fahrleistung nach Straßenkategorien
800
700
700
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
2000
0
2010
UBA 2006
Abbildung 21:
5.3.2
2020
2030
TREMOD 2011
2040
2050
GermanHy-TREMOD
2000
2010
Autobahn
2020
2030
Außerorts
2040
2050
Innerorts
Pkw-Fahrleistungen in verschiedenen Szenarien und Annahmen dieser Studie
Entwicklung Fahrzeugbestand und
fahrzeugspezifische Fahrleistungen
Der Fahrzeugbestand wird in den Szenarien aufgrund der Annahmen zu den Neuzulassungen
und dem Überlebensverhalten eines jeden Fahrzeugsegments und Zulassungsjahres berechnet.
Mit den Annahmen zu den Fahrleistungsrelationen lassen sich schließlich die Fahrleistungsanteile nach Fahrzeugsegmenten und - durch Verknüpfung mit der Gesamtfahrleistung nach Straßenkategorein - die Fahrleistungen für jedes
Segment nach Straßenkategorien berechnen.
Grundlage der Szenarienbildung in beiden Szenarien ist das Basisszenario von TREMOD, das
von folgender Entwicklung bis 2030 ausgeht:
sungen aufgrund der sinkenden Verkehrsnachfrage bis 2050 auf 3 Mio. Kfz/Jahr zurückgeht.
Ausgehend von dieser Basis werden in den beiden Szenarien die konventionellen Fahrzeuge ab
2015 durch Fahrzeuge mit neuen Antrieben ersetzt.
5.3.2.1
Szenario
„Brennstoffzellen-PkwKlimaschutz“
Das
Szenario
„Brennstoffzellen-PkwKlimaschutz“ knüpft an die Annahmen des Klimaszenarios von GermanHy an. Es werden ausschließlich Fahrzeuge mit Brennstoffzelle eingeführt. Folgende Entwicklung wird angenommen:
Anzahl der Neuzulassungen nach 2010: 3,2
Mio. Fahrzeuge/Jahr;
Neuzulassungsanteil Diesel-Pkw: 45 %,
Rest: Benzin;
Größenklassenverteilung entsprechend dem
Trend der vergangenen Jahre.
Für die Fortschreibung nach 2030 wird die Annahme getroffen, dass die Anzahl der Neuzulas44
Pkw-Fahrleistung in Mrd. km
Im Jahr 2015 kommen die ersten FCEVs in
relevanter Stückzahl auf den Markt (Annahme: 10.000 Fahrzeuge). Die Anzahl der
Neuzulassungen steigt bis 2030 auf über 1
Mio. Fahrzeuge an. Ab 2050 sind alle Neuzulassungen FCEVs.
Bis 2030 ersetzen 70 % der FCEVs – bezogen auf den Referenzfall - Benzin-Pkw und
die restlichen 30 % Diesel-Pkw. Bis 2050
ändern sich die Anteile, so dass 2050 45 %
Diesel-Pkw und 55 % Benzin-Pkw ersetzt
werden.
Die FCEVs ersetzen ab 2015 zunächst große Pkw und dringen dann allmählich von
oben herab in die kleineren Segmente ein.
Die folgende Abbildung zeigt die Annahmen zu
den Neuzulassungen für die relevanten
Eckjahre. Die Werte für die Zwischenjahre werden zwischen den dargestellten Eckjahren interpoliert.
Neuzulassungen nach Antriebsart
3,5
3,5
3,0
3,0
2,5
2,5
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
0,5
0,5
0,0
0,0
2010
2015
2020
Diesel
Abbildung 22:
2030
Benzin
2040
2010
2015
Diesel - klein
Benzin - klein
FCEV - klein
2050
FCEV
45
40
3,0
35
2,5
30
2,0
25
1,5
20
15
1,0
10
0,5
Abbildung 23:
2040
2050
Diesel - groß
Benzin - groß
FCEV - groß
Die folgende Abbildung zeigt die Entwicklung
der Neuzulassungen von 2010 bis 2050 und den
mit TREMOD berechneten Fahrzeugbestand.
0,0
2010 2015 2020
Diesel - klein
Benzin - klein
FCEV - klein
2020
2030
Diesel - mittel
Benzin - mittel
FCEV - mittel
Neuzulassungen 2010-2050 im Szenario „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“
Auf Basis der Annahmen zum Überlebensverhalten (siehe Kapitel 5.2.3.2) wird der jährliche
Bestand berechnet.
3,5
5
2025 2030 2035
Diesel - mittel
Benzin - mittel
FCEV - mittel
2040 2045 2050
Diesel - groß
Benzin - groß
FCEV - groß
0
2010 2015 2020
Diesel - klein
Benzin - klein
FCEV - klein
2025 2030 2035
Diesel - mittel
Benzin - mittel
FCEV - mittel
2040 2045 2050
Diesel - groß
Benzin - groß
FCEV - groß
Neuzulassungen und Bestand 2010-2050 im Szenario „Brennstoffzellen-PkwKlimaschutz“
Der so berechnete Fahrzeugbestand wird für die
Jahre 2020, 2030, 2040 und 2050 in der folgenden Tabelle differenziert nach Antriebskonzepten dargestellt.
schriebenen Annahmen in Fahrleistungsanteile
überführt. Die folgende Abbildung zeigt den so
berechneten Verlauf der Fahrzeugbestände und
der Fahrleistungen.
Schließlich werden die differenzierten Bestandszahlen mit den in Kapitel 5.2.3.2 be-
45
Tabelle 5-6:
Bestandsentwicklung der Pkw nach Antriebskonzepten im Szenario „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“ (Mio. Fz)
2020
2030
2040
2050
Benzin, konventionell
26,4
21,7
13,2
4,8
Diesel, konventionell
15,9
14,9
10,9
4,2
FCEV
0,5
5,6
18,1
32,7
Gesamt
42,7
42,2
42,2
41,7
Bestand nach Antriebsart
45
700
40
600
35
500
30
25
400
20
300
15
200
10
100
5
0
0
2010
2020
Diesel
Abbildung 24:
2030
Benzin
2040
2050
2020
Diesel
2030
Benzin
2040
2050
FCEV
Bestand und Fahrleistung 2010-2050 im Szenario „Brennstoffzellen-PkwKlimaschutz“
Die wichtigsten Ergebnisse der Bestands- und
Fahrleistungsberechnung lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
Der gesamte Pkw-Bestand nimmt bis 2020
noch leicht zu und geht danach langsam zurück. Da die Fahrleistung ab 2030 stärker
zurückgeht, sinkt somit die mittlere Fahrleistung je Fahrzeug bis 2050 ab.
Der Anteil der FCEVs am Fahrzeugbestand
steigt ab 2020 deutlich an: über 13 % im
Jahr 2030 auf 43 % im Jahr 2040 und 78 %
im Jahr 2050. Der Anteil an der Fahrleistung entwickelt sich ähnlich.
5.3.2.2
2010
FCEV
Szenario
„Pkw-ElektromobilitätKlimaschutz“
ventioneller Fahrzeuge eingeführt. Die Entwicklung des FCEV-Bestandes richtet sich nach dem
in der Coalition Study beschriebenen Szenario 2
(„World skewed towards electric power-trains”
vergleiche 3.1.1 auf S. 9). Für die BEVs und
PHEVs wurde angenommen, dass sich 2020
insgesamt 1 Mio. Pkw und 2030 insgesamt 6
Mio. Pkw im Bestand befinden. Bis 2050 wird
in Anlehnung an Szenario 2 der Coalition Study
angenommen, dass BEVs und PHEVs ca. 70 %
des deutschen Pkw-Bestands ausmachen. Das
Verhältnis von BEVs zu PHEVs beträgt 40:60,
da aktuelle Wirtschaftlichkeits- und Akzeptanzstudien vermehrt darauf hinweisen, dass PHEVs
einen relevanten Marktanteil gewinnen können.
Die angenommene Bestandsentwicklung ist in
folgender Tabelle dargestellt.
Im Szenario „Elektromobilität“ werden neben
PHEVs auch BEVs und FCEVs als Ersatz konTabelle 5-7:
Bestandsentwicklung der neuen Antriebskonzepte
2020
2030
2035
2040
2050
PHEV
580.000
3,8 Mio.
7,8 Mio.
12,4 Mio.
17,0 Mio.
BEV
370.000
2,7 Mio.
5,6 Mio.
8,8 Mio.
11,5 Mio.
FCEV
180.000
2,2 Mio.
5,5 Mio.
8,9 Mio.
10,4 Mio.
Aus diesen Vorgaben werden für die TREMODBerechnung Annahmen zu den Neuzulassungen
abgeleitet. Dazu ist ein iteratives Vorgehen not46
wendig, um die vorgegebenen Fahrzeugbestände
in den Eckjahren (2020, 2030, 2035, 2040,
2050) korrekt wiederzugeben.
Für die Einführung von Fahrzeugen (Neuzulassungen) wird folgende Entwicklung angenommen:
Ab 2011 steigt die Anzahl der neu zugelassenen BEVs und PHEVs von 13.000 Fahrzeugen/Jahr auf 116.000 in 2015 und
190.000 in 2020. Der Anteil der BEVs liegt
bei 40 %. Mit dieser Annahme werden
knapp 1 Mio. BEVs und PFEVs im Jahr
2020 im Bestand erreicht.
Um die 6 Mio. Elektrofahrzeuge im Jahr
2030 und über 13 Mio. im Jahr 2035 zu erreichen, muss die jährliche Anzahl an Neuzulassungen zwischen 2020 und 2035 sehr
stark zunehmen: Die jährliche Zulassungszahl steigt daher von 190.000 Fahrzeugen
auf über 1,2 Mio. im Jahr 2030 und 2,1
Mio. im Jahr 2035 an. Dies entspricht einem
Anteil von 40 % an allen Neuzulassungen
im Jahr 2030 und 66 % im Jahr 2035. Ab
2036 nimmt der Anteil der BEVs und
PHEVs nur noch langsam zu.
FCEVs werden ab 2015 in relevanten
Stückzahlen zugelassen. 2020 sind es
64.000 Fahrzeuge pro Jahr, 2030 bereits
528.000 Fahrzeuge und 2035 über eine Million Fahrzeuge. Danach nimmt die Anzahl
der Neuzulassungen ab.
Die Zulassungszahlen bei den konventionellen Benzin- und Dieselfahrzeugen nehmen
dementsprechend ab 2020 sehr schnell ab
und liegen 2035 nur noch bei 36.000 Fahrzeugen pro Jahr mit weiter abnehmender
Tendenz.
Abbildung 25 zeigt die Annahmen zu den Neuzulassungen.
Mit den Annahmen zum Überlebensverhalten
(siehe Kapitel 5.2.3.2) wird der jährliche Bestand berechnet
Abbildung 26 zeigt die Entwicklung der Neuzulassungen je Segment von 2010 bis 2050 und
den daraus mit TREMOD berechneten Fahrzeugbestand.
Neuzulassungen nach Antriebsart
3,5
3,5
3,0
3,0
2,5
2,5
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
0,5
0,5
0,0
0,0
2010
2015
Diesel
2020
Benzin
Abbildung 25:
2030
FCEV
2035
2040
BEV
2050
PHEV
2010
2015
2020
2030
2035
2040
2050
Diesel - klein
Diesel - mittel
Diesel - groß
Benzin - klein
Benzin - mittel Benzin - groß
FCEV - klein
FCEV - mittel
FCEV - groß
BEV - klein
BEV - mittel
BEV - groß
PHEV - klein
PHEV - mittel
PHEV - groß
Neuzulassungen 2010-2050 im Szenario „Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“
3,5
3,0
50
40
2,5
2,0
30
1,5
20
1,0
10
0,5
0,0
2010 2015
Diesel - klein
Benzin - mittel
FCEV - groß
PHEV - klein
2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Diesel - mittel
Diesel - groß
Benzin - klein
Benzin - groß
FCEV - klein
FCEV - mittel
BEV - klein
BEV - mittel
BEV - groß
PHEV - mittel
PHEV - groß
Abbildung 26:
0
2010
2015
Diesel - klein
Benzin - mittel
FCEV - groß
PHEV - klein
2020
2025
2030
Diesel - mittel
Benzin - groß
BEV - klein
PHEV - mittel
2035
2040
Diesel - groß
FCEV - klein
BEV - mittel
PHEV - groß
2045
2050
Benzin - klein
FCEV - mittel
BEV - groß
Neuzulassungen und Bestand 2010-2050 im Szenario „Pkw-ElektromobilitätKlimaschutz“
Schließlich werden die differenzierten Bestandszahlen mit den in Kapitel 5.2.3.2 beschriebenen Annahmen in Fahrleistungsanteile
überführt. Abbildung 27 zeigt den so berechneten Verlauf der Fahrzeugbestände und der Fahrleistungen.
47
Bestand nach Antriebsart
50
700
600
40
500
30
400
300
20
200
10
100
0
0
2010
Diesel
2020
Benzin
Abbildung 27:
2030
FCEV
2040
BEV
2010
Diesel
2050
PHEV
2040
BEV
2050
PHEV
die resultierende Entwicklung der mittleren
Fahrleistungen.
Mittlere Jahresfahrleistungen der Pkw nach Fahrzeugkonzept im Szenario
Mittlere Fahrleistung je Pkw
(1000km/a)
2010
2020
2030
2040
2050
13,7
13,7
12,9
12,3
20,7
20,7
19,7
18,9
15,8
15,1
14,0
13,2
10,2
10,0
9,6
9,5
PHEV diesel/electric
20,7
20,7
19,7
19,0
PHEV petrol/electric
10,1
10,0
9,5
9,2
14,1
14,2
13,4
12,9
BEV
Diesel
22,0
H2-FuelCell
Petrol 4stroke
Mittlerer Pkw
48
2030
FCEV
Bestand und Fahrleistung 2010-2050 im Szenario „Pkw-ElektromobilitätKlimaschutz“
Die berechneten differenzierten Bestände und
Fahrleistungen können über die mittlere Fahrleistung plausibilisiert werden. Tabelle 5-8 zeigt
Tabelle 5-8:
2020
Benzin
11,3
14,1
Die mittleren Fahrleistungen sind im Einklang
mit den getroffenen Annahmen. Insbesondere
spiegeln sich die folgenden Randbedingungen
wider:
Die Fahrleistungen der BEVs liegen über
den Fahrleistungen der Benzin-Pkw. Trotz
begrenzter Reichweite werden sie aufgrund
der hohen Anschaffungskosten hauptsächlich dann gekauft, wenn ein häufiger Einsatz vorgesehen ist.
FCEVs und PHEVs ersetzen sowohl Benzin
als auch Diesel-Pkw und liegen daher mit
der mittleren Jahresfahrleistung zwischen
den beiden konventionellen Antriebsarten.
Die mittlere Fahrleistung je Fahrzeug geht
ab 2030 aufgrund der abnehmenden Gesamtfahrleistung zurück, da davon ausgegangen wird, dass der Fahrzeugbestand
kaum zurückgeht.
Die wichtigsten Ergebnisse der Bestands- und
Fahrleistungsberechnung lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
Der gesamte Pkw-Bestand nimmt bis 2020
noch leicht zu und geht danach langsam zurück. Da die Fahrleistung ab 2030 stärker
zurückgeht, sinkt somit die mittlere Fahrleistung je Fahrzeug bis 2050 ab.
Der Anteil der alternativen Fahrzeugkonzepte am Fahrzeugbestand steigt ab 2020
deutlich an: von 3 % über 21 % im Jahr
2030 auf 70 % im Jahr 2040 und 93 % im
Jahr 2050. Der Anteil der Fahrleistung aller
neuen Konzepte entwickelt sich ähnlich.
Bei den neuen Fahrzeugkonzepten haben
die PHEVs höhere Anteile an Bestand und
Fahrleistung als BEVs und FCEVs mit etwa
gleichen Anteilen.
5.4
Ergebnisse Energieverbrauch
und Emissionen
Mit den in den vorigen Kapiteln abgeleiteten
Bestands- und Fahrleistungsentwicklungen werden in TREMOD der Energieverbrauch und die
Emissionen berechnet. In diesem Kapitel werden ausgewählte Ergebnisse dargestellt.
In den nachfolgenden Abbildungen werden für
beide Szenarien dargestellt und beschrieben:
Der Energieverbrauch nach Antriebsarten
und Energieträger.
Die Kohlendioxidemissionen nach Antriebsart, Energieträger und Prozessabschnitt (Tank-to-Wheel und Well-toWheel).
Die Stickstoffoxid- und Partikelemissionen
nach Antriebsart und Prozessabschnitt
(Tank-to-Wheel und Well-to-Wheel).
5.4.1
Entwicklung des Energieverbrauchs
In den folgenden Abbildungen ist die Entwicklung des Endenergieverbrauchs für die Szenarien „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“ und
„Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“, differenziert nach Antriebskonzepten (oben) und Energieträgern (unten), für die Jahre 2010 bis 2050
dargestellt.
49
2.000
Energie in PJ
Szenario „Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“
1.800
1.800
1.600
1.600
1.400
1.400
1.200
1.200
1.000
1.000
800
800
600
600
400
400
200
200
0
0
2010
2020
Diesel
Abbildung 28:
2030
Benzin
2040
2050
2010
Diesel
FCEV
Energie in PJ
2030
FCEV
2040
BEV
2050
PHEV
2.000
1.800
1.800
1.600
1.600
1.400
1.400
1.200
1.200
1.000
1.000
800
800
600
600
400
400
200
200
Energie in PJ
72%
0
0
2010
2020
Diesel
Abbildung 29:
2030
Benzin
2040
2010
2020
2030
Diesel
Benzin
2050
H2
2040
H2
2050
Strom
Endenergieverbrauch 2010-2050 nach Energieträger
Folgende Ergebnisse lassen sich festhalten:
In den Szenarien geht der Endenergieverbrauch von 2010 bis 2050 um 70 % (Szenario „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“)
bzw. 72 % (Szenario „Elektromobilität“)
zurück.
Aufgrund der hohen Effizienzgewinne bei
den konventionellen Fahrzeugen ab 2010
und der schnellen Einführung alternativer
Konzepte nach 2015 werden die Minderungen in beiden Szenarien relativ gleichmäßig
über den gesamten Zeitraum von 40 Jahren
realisiert.
Im Szenario „Brennstoffzellen-Pkw Klimaschutz“ werden bis zum Jahr 2050 79 % der
konventionellen Benzin- und Diesel-Pkw
durch neue Antriebskonzepte ersetzt. Dadurch geht der Anteil von Benzin und Diesel (inkl. Biokraftstoffe) am Endenergieverbrauch bis 2050 auf 36 % zurück (konventioneller Anteil: 32 %).
50
2020
Benzin
Endenergieverbrauch 2010-2050 nach Antriebskonzept
2.000
Energie in PJ
2.000
Im
Szenario
„Pkw-ElektromobilitätKlimaschutz“ werden im Zeitverlauf nahezu
alle konventionellen Fahrzeuge (93 %)
durch neue Antriebskonzepte ersetzt. Aufgrund des hohen Anteils an PHEVs geht der
Anteil an Benzin und Diesel (inkl. Biokraftstoffe) bis zum Jahr 2050 jedoch nur auf 41
% zurück (konventioneller Anteil: 36 %).
5.4.2
Entwicklung des Kohlendioxidemissionen
In den folgenden Abbildungen ist die Entwicklung der Kohlendioxidemissionen für die Szenarien „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“ und
„Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“, differenziert nach Antriebskonzepten (oben), Energieträgern (Mitte) und Prozessabschnitten (unten)
für die Jahre 2010 bis 2050 dargestellt.
140.000
CO2 in kt
140.000
120.000
120.000
100.000
100.000
80.000
80.000
60.000
60.000
40.000
40.000
20.000
20.000
0
0
2010
2020
Diesel
Abbildung 30:
2030
Benzin
2040
2010
Diesel
2050
FCEV
CO2 in kt
2030
FCEV
2040
BEV
2050
PHEV
140.000
120.000
120.000
100.000
100.000
80.000
80.000
60.000
60.000
40.000
40.000
20.000
20.000
CO2 in kt
86%
0
0
2010
2020
Diesel
Abbildung 31:
2030
Benzin
2040
2010
2020
2030
Diesel
Benzin
2050
H2
2040
H2
2050
Strom
Kohlendioxidemissionen 2010-2050 nach Energieträger
140.000
2020
Benzin
Kohlendioxidemissionen 2010-2050 nach Antriebskonzept
140.000
CO2 in kt
CO2 in kt
140.000
120.000
120.000
100.000
100.000
80.000
80.000
60.000
60.000
40.000
40.000
20.000
20.000
CO2 in kt
0
0
2010
Abbildung 32:
2020
Direkt
2030
2040
Vorkette
2050
2010
2020
Direkt
2030
2040
Vorkette
2050
Kohlendioxidemissionen 2010-2050 nach Prozessabschnitt
In den Szenarien gehen die Kohlendioxidemissionen von 2010 bis 2050 um 86 %
zurück.
den konventionellen Fahrzeugen ab 2010,
der schnellen Einführung alternativer Konzepte und der Minderung in den Energieerzeugungsprozessen nach 2015 werden die
Minderungen in beiden Szenarien relativ
gleichmäßig über den gesamten Zeitraum
von 40 Jahren realisiert. Lediglich im Szenario „Elektromobilität“ kommt es aufgrund der schnellen Bestandsumschichtung
zwischen 2030 und 2040 zu einer höheren
Minderung, die sich jedoch bis 2050 wieder verlangsamt.
Die spezifischen Kohlendioxidemissionen
der konventionellen Kraftstoffe bleiben
aufgrund des geringen Anteils an Biokraft51
stoffen hoch. Daher tragen Benzin und
Diesel auch im Jahr 2050 mit 71 % (Brennstoffzelle-Klima) bzw. 78 % (Elektromobilität) am meisten zu den gesamten CO2Emissionen des Pkw-Verkehrs bei.
Durch den Übergang von konventionellen
Kraftstoffen auf Wasserstoff und Strom
verlagern sich die Kohlendioxidemissionen
von der direkten Verbrennung (TtW) in die
Energiebereitstellungskette (WtT). Bis
2050 nimmt der Anteil der Vorkette an den
Gesamtemissionen von 14 % im Jahr 2010
auf 35 % (Brennstoffzelle-Klima) bzw. 30
% (Elektromobilität) zu.
300
NOx in kt
5.4.3
In den folgenden Abbildungen ist die Entwicklung der Stickstoffoxidemissionen für die Szenarien
„Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“
und „Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“, differenziert nach Antriebskonzepten (oben) und
Prozessabschnitten (unten) für die Jahre 2010
bis 2050 dargestellt.
300
250
250
200
200
150
150
100
100
50
50
2010
Abbildung 33:
2020
Diesel
2030
Benzin
2040
2010
2050
FCEV
Diesel
2020
2030
Benzin
FCEV
2040
BEV
2050
PHEV
Stickstoffoxidemissionen 2010-2050 nach Antriebskonzept
NOx in kt
300
250
250
200
200
150
150
100
100
50
50
NOx in kt
0
0
2010
Abbildung 34:
2020
Direkt
2030
2040
Vorkette
2050
2010
2020
Direkt
2030
2040
Vorkette
2050
Stickstoffoxidemissionen 2010-2050 nach Prozessabschnitt
In den Szenarien gehen die Stickstoffoxidemissionen von 2010 bis 2050 um
84 % (Szenario „Brennstoffzellen-PkwKlimaschutz“) bzw. 86 % (Szenario
„Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“)
zurück.
Die höchste Minderung (-37 % in beiden Szenarien) wird bereits bis 2020 erreicht, die nahezu ausschließlich auf
weitere Verbesserungen bei den konventionellen Fahrzeugen (Euro-6) zurückzuführen ist. Dennoch liegt der Anteil der durch die konventionellen Fahr52
NOx in kt
0
0
300
Entwicklung der Stickstoffoxidemissionen
zeuge verursachten Emissionen auch im
Jahr 2050 noch bei über 50 %.
Durch den Übergang von konventionellen Kraftstoffen auf Wasserstoff und
Strom verlagern sich die Stickoxidemissionen von der direkten Verbrennung (Tank-to-Wheel) in die Energiebereitstellungskette (Well-to-Tank). Bis
2050 nimmt der Anteil der Vorkette an
den Gesamtemissionen von 16 % im
Jahr 2010 auf 58 % (Szenario „Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“) bzw. 55
% (Szenario „Pkw-ElektromobilitätKlimaschutz“) zu.
5.4.4
Entwicklung der
Abgaspartikelemissionen
In den folgenden Abbildungen ist die Entwicklung der Partikelemissionen für die Szenarien
12
PM in kt
„Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“
und
„Pkw-Elektromobilität-Klimaschutz“, differenziert nach Antriebskonzepten (oben) und Prozessabschnitten (unten) für die Jahre 2010 bis
2050 dargestellt.
12
10
10
8
8
6
6
4
4
2
2
0
0
2010
Abbildung 35:
2020
Diesel
2030
Benzin
2040
2010
2050
FCEV
Diesel
PM in kt
2040
BEV
2050
PHEV
12
10
10
8
8
6
6
4
4
2
2
PM in kt
0
0
2010
Abbildung 36:
2020
Direkt
2030
2040
Vorkette
2050
2010
2020
Direkt
2030
2040
Vorkette
2050
PM-Emissionen 2010-2050 nach Prozessabschnitt
In den Szenarien gehen die Partikelemissionen von 2010 bis 2050 um 73 %
(Szenario
„Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“) bzw. 88 % (Szenario „PkwElektromobilität-Klimaschutz“) zurück.
Die höchste Minderung (-59 % bzw. -56 %)
wird bereits bis 2020 erreicht, die nahezu
ausschließlich auf weitere Verbesserungen
bei den konventionellen Fahrzeugen (Euro6) zurückzuführen ist.
5.5
2020
2030
Benzin
FCEV
PM-Emissionen 2010-2050 nach Antriebskonzept
12
PM in kt
Durch den Übergang von konventionellen
Kraftstoffen auf Wasserstoff und Strom verlagern sich die Partikelemissionen von der
direkten Verbrennung (Tank-to-Wheel) in
die Energiebereitstellungskette (Well-toTank). Bis 2050 nimmt der Anteil der
Vorkette an den Gesamtemissionen von
25 % im Jahr 2010 auf 92 % (Szenario
„Brennstoffzellen-Pkw-Klimaschutz“) bzw.
77 % (Szenario „Elektromobilität“) zu.
Entwicklung der spezifischen
Treibhausgasemissionen
In den folgenden Abbildungen ist die Entwicklung der spezifischen CO2- und Treibhausgasemissionen (als CO2-Äquivalente) je Fahrzeugkilometer für die Szenarien „BrennstoffzelleKlima“ und „Elektromobilität“, differenziert
nach Prozessabschnitten, für die Jahre 2010 bis
2050 dargestellt. Diese Werte beziehen sich auf
die gesamte Fahrzeugflotte im Bestand.
53
250
CO2 und CO2eq in g/km
250
200
200
150
150
100
100
50
50
CO2 und CO2eq in g/km
0
0
CO2 CO2eq CO2 CO2eq CO2 CO2eq CO2 CO2eq CO2 CO2eq
CO2 CO2eq CO2 CO2eq CO2 CO2eq CO2 CO2eq CO2 CO2eq
2010
2020
2030
Direkt
Abbildung 37:
2040
2020
2030
Direkt
Vorkette
2040
2050
Vorkette
Spezifische CO2- und CO2eq-Emissionen 2010-2050 nach Prozessabschnitt
In den Szenarien gehen die spezifischen
Kohlendioxidemissionen von 2010 bis 2050
um 84 % zurück. Betrachtet man nur die direkten Emissionen, liegt der Rückgang sogar bei 87-88 %. Dies belegt den zunehmenden Anteil der Vorketten an den Gesamtemissionen.
Die gesamten Treibhausgasemissionen
nehmen demgegenüber etwas weniger ab,
da, bedingt durch den höheren Anteil der
Vorketten, die N2O- und CH4-Emissionen
zukünftig einen größeren Beitrag zum
Treibhausgaseffekt leisten.
den konventionellen Fahrzeugen ab 2010,
der schnellen Einführung alternativer Konzepte und der Minderung in den Energieerzeugungsprozessen nach 2015 werden die
Minderungen in beiden Szenarien relativ
gleichmäßig über den gesamten Zeitraum
von 40 Jahren realisiert. Lediglich im Szenario „Elektromobilität“ kommt es aufgrund
der schnellen Bestandsumschichtung zwischen 2030 und 2040 zu einer höheren
Minderung, die sich jedoch bis 2050 wieder
verlangsamt.
Die direkten spezifischen Kohlendioxidemissionen der gesamten Pkw-Flotte liegen
auch im Jahr 2030 in beiden Szenarien noch
über 100 g CO2/km, inklusive der Vorketten
sind das knapp 120 g CO2/km bzw. - bei zusätzlicher Berücksichtigung der übrigen
Treibhausgase – knapp über 120 g
CO2eq/km. Erst bis 2050 erfolgen deutliche
Rückgänge bei den direkten Emissionen auf
bis zu 22 g CO2/km. Bezieht man allerdings
die Vorketten und die übrigen Treibhausgase mit ein, liegt der niedrigste Wert im Jahr
2050 im Szenario „Pkw-ElektromobilitätKlimaschutz“ mit 37 g CO2eq/km.
54
2010
2050
5.6
Zusammenfassende
Bewertung der Ergebnisse
Die in den vorigen Kapiteln dargestellten Ergebnisse der mit TREMOD berechneten Szenarien beruhen auf zahlreichen Annahmen zur
Entwicklung des Fahrzeugparks, der Fahrleistungen, der Energieeffizienz sowie der Herkunft
und Herstellung der Energieträger. Mit den getroffenen Annahmen werden für den PkwVerkehr zwischen 2010 und 2050 deutliche
Minderungen beim Energieverbrauch, den
Treibhausgasemissionen und wichtigen Luftschadstoffemissionen erreicht.
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass eine Beschränkung allein auf Energie und Kohlendioxid
nicht ausreicht, um die Auswirkungen der deutlichen Änderungen im Fahrzeugpark und bei der
Energieerzeugung abzubilden. So tragen alle
Antriebskonzepte mit Verbrennungsmotoren bis
2050 überdurchschnittlich zu den direkten Kohlendioxid- und Schadstoffemissionen bei. Bei
den Vorketten ist es insbesondere der Anteil der
Steinkohle an der Erzeugung von Strom und
Wasserstoff, der überdurchschnittlich zu den
Treibhausgasemissionen (insbesondere auch
Methan) und PM-Emissionen beiträgt. Dies wird
etwa im Szenario „Brennstoffzellen-PkwKlimaschutz“ deutlich.
Die Minderungspotenziale des Pkw-Verkehrs
sind aus heutiger Sicht relativ hoch, da eine
Vielzahl technischer Möglichkeiten bei den Antrieben und der Energieerzeugung zur Verfügung steht. In anderen Verkehrsbereichen, vor
allem beim Straßengüterverkehr, beim Flugverkehr und der Schifffahrt sind die Möglichkeiten
zur Umstellung auf regenerative Energien und
Antriebe aus heutiger Sicht beschränkter als
beim Pkw. Es ist daher notwendig, diese Verkehrsträger in die Szenarienrechnungen mit einzubeziehen, um die Minderungspotenziale des
gesamten Verkehrs aufgrund geeigneter Strategien abzubilden.
Kap. 6 Ausblick und offene Fragen
6 Ausblick und offene Fragen
Im Rahmen dieser Studie wurden umfangreiche Arbeiten durchgeführt. Diese umfassen die Aktualisierung und Überführung der Ergebnisse aus GermanHy sowie über GermanHy hinausgehende Analysen
in den Bereichen
Fahrzeugverbrauchswerte (BEVs, PHEVs),
Kraftstoffe (Strombereitstellung),
Infrastruktur (CGH2-Trailer 50 MPa) und
Energiebilanzen der Vorketten.
Weitere relevante Fragestellungen und Anschlussthemen wurden identifiziert, konnten im Rahmen dieser Studie jedoch nicht adressiert werden. Der Forschungsbedarf wird im Folgenden dargestellt.
6.1
Einsatzmuster und Verbrauchswerte der Fahrzeuge
Bei den Fahrzeugen wurden in dieser Studie
keine eigenen Recherchen zu den möglichen
Einsatzmustern der verschiedenen Konzepte und
dem damit verbundenen Verbrauchsverhalten
durchgeführt. Die aus aktuellen Arbeiten abgeleiteten Kennzahlen beruhen überwiegend auf
Modellen für Referenzfahrzeuge mit Abschätzungen des Energieverbrauchs für den Referenzzyklus NEFZ. Für viele neue Fahrzeugkonzepte existieren erst wenige Prototypen, für die
keine Erfahrungen zum realen Verbrauchsverhalten und zu den Einsatzmustern vorliegen. Bei
solchen Fahrzeugen, die bereits in Kleinserien
gefertigt und umfangreich untersucht worden
sind, liegen die Daten bei den Herstellern und
sind gegenwärtig nicht öffentlich zugänglich.
Auch wurden in unserer Studie keine speziellen
Strategien (z.B. Einführung der Fahrzeuge in
bestimmten Flotten und Einsatzbereichen) unterstellt. Die Ermittlung von realen Verbrauchswerten für Fahrzeuge verschiedener Größenklassen in Abhängigkeit bestimmter Einsatzmuster ist jedoch eine wichtige Randbedingung,
um belastbare Szenarien zu modellieren und zu
berechnen und muss einer nachfolgenden Studie
vorbehalten bleiben.
6.2
Energieszenarien und Kraftstoffvorketten
Seit Fertigstellung der GermanHy-Szenarien haben sich wesentliche Veränderungen im energiewirtschaftlichen Rahmen ergeben (Stichwort
„Energiewende“), wie z. B.
Ausstieg aus der Atomenergie;
Carbon Capture & Storage (CCS) wird nicht
weiter verfolgt;
Kostenanstieg bei fossilen Energien;
Kostendegression von Neuanlagen zur Erzeugung erneuerbaren Stroms;
Zunahme von erneuerbarem Strom im Mix;
Fortschritte in der Batterietechnik;
Nutzung von Wasserstoff als Energiespeicher für fluktuierenden, erneuerbaren Strom
und für die Bereitstellung von gesicherter
Leistung;
aktuelle Diskussion zur Nutzung von Wasserstoff und CO2 zur Synthese von Gas- und
Flüssigkraftstoffen (Strom-zu-Gas bzw.
Strom-zu-Flüssigkraftstoff).
Daher besteht Aktualisierungsbedarf der Szenarien für die zukünftige Bereitstellung von Wasserstoff. Idealerweise erfolgt diese Analyse unter Einbezug der Strombereitstellung für Plug-in
Hybride und Batteriefahrzeuge. In jedem Fall
hat sich die Rückkopplung der im Verkehr
nachgefragten Energien in das Gesamtenergiesystem Deutschlands (siehe GermanHy) bewährt.
Der fossile Vergleichspfad (Benzin- und Dieselherstellung) wird konstant angenommen. Durch
verstärkten Einsatz fossiler Kraftstoffe aus unkonventionellen sowie anderen schwer zugänglichen Vorkommen (Tiefsee, Schweröl, Ölschiefer, Teersand etc.) können sich die Vorkettenemissionen in der Zukunft verändern.
Bei der Strombereitstellung für Plug-in Hybride
und Batteriefahrzeuge sind im Rahmen dieser
Studie keine zusätzlichen Strombereitstellungsverluste berücksichtigt, wie sie beispielsweise
durch
höhere Ladeströme bei der Schnellbeladung
sowie
lokale Zwischenspeicherung bei Schnellbeladung und bei ungesteuerter Ladung
55
zu erwarten sind. Hier besteht Methodenentwicklungs- und Harmonisierungsbedarf.
Sogenannte „graue Emissionen“ – d.h. Emissionen, die mit dem Bau von Kraftwerken, Infrastruktur und Fahrzeugen verbunden sind – wurden im Rahmen dieser Studie nicht betrachtet.
Hierzu bedarf es weiterer Untersuchungen und
ggf. Anpassung in TREMOD, insbesondere bei
Leichtbaumaterialien von Fahrzeugen;
Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen, insbesondere Batterien, Brennstoffzellen, H2Speicher, Elektromotor;
Photovoltaik-Kraftwerke, denn die schnellen Entwicklungsfortschritte bei PV führen
zu einem Aktualisierungsbedarf der Lebenszyklusbilanz von PV-Herstellung.
Zu beachten ist beim Thema „graue Emissionen“, dass bei international breitem Ausbau von
erneuerbaren Energien auch die mit dem Bau
von Kraftwerken, Infrastrukturen und Fahrzeugen verbundenen entsprechend Emissionen sinken. Ausnahme könnten nicht energiebezogene
Umweltwirkungen sein, wie z.B. beim Abbau
von Rohmaterialien (Bergbau). Beim Thema
„graue Emissionen“ empfiehlt sich eine regelmäßige Prüfung und ggf. Aktualisierung der Datenbasis.
Die aktuell berücksichtigten Umweltwirkungen
umfassen Energieeinsatz, Treibhausgasemissionen sowie Schadstoffemissionen. Mit zunehmendem Einsatz von Biomasse, Teersanden und
Schiefergas im Kraftstoffmix werden weitere
Umweltwirkungen relevant, wie z.B. die Wasserintensität oder der Flächenverbrauch. Die
Umweltbilanzierung sollte daher um ausgewählte Umweltindikatoren erweitert werden. Ein einzelner Umweltindikator, wie er beispielsweise
mit Treibhausgasemissionen in Politik, Wissenschaft und Gesellschaft gerne herangezogen
wird, ist zwar mathematisch gesprochen „notwendig“, jedoch nicht „hinreichend“ aufgrund
des Risikos von Kollateralschäden in anderen
Umweltsektoren.
56
Der Bedarf an seltenen/kritischen Materialressourcen in zukünftigen Kraftstoffkonzepten, Antriebssystemen und Fahrzeugplattformen (Kraftstoffproduktion, Infrastruktur, Chassis, Antrieb)
ist ein potenziell kritisches Thema mit Blick auf
ihre physikalische Verfügbarkeit (Ressourcen)
und Marktverfügbarkeit (Angebot vs. Nachfrage; unternehmerische und geopolitische Angebotskonzentration). Eine Bilanzierung der Bedarfe an ausgewählten Materialressourcen (z.B.
Platin, Neodym, Kupfer, etc.) kann kritische
Entwicklungspfade aufzeigen.
6.3
Emissionsmodell TREMOD
Im diesem Vorhaben wurde das Emissionsmodell TREMOD so erweitert, dass Szenarien zur
Entwicklung des antriebsbedingten Energieverbrauchs und der Emissionen des Straßenverkehrs bis 2050 für die Prozessschritte Well-toTank und Tank-to-Wheel unter Berücksichtigung alternativer Antriebe (BEVs, PHEVs und
FCEVs) berechnet werden können. Für die Berechnung können prinzipiell sehr differenzierte
Annahmen zur Markteinführung und Lebensdauer der Fahrzeuge, zum Einsatzspektrum,
Fahrverhalten, zur Fahrleistung sowie zur Effizienzentwicklung modelliert werden, wenn entsprechende Informationen vorliegen oder begründete Annahmen abgeleitet werden können.
Nicht in TREMOD integriert wurden bisher
neue Antriebskonzepte für den Güterverkehr mit
schweren Nutzfahrzeugen und für die, gemessen
an ihrem Beitrag zu den Klimagasemissionen,
weniger relevanten motorisierte Zweiräder. Da
für deutliche Minderungen im Straßengüterverkehr andere Strategien entwickelt werden müssen als bei den Pkw, leichten Nutzfahrzeugen
und Bussen, sollte diesem Sektor zukünftig erhöhte Aufmerksamkeit geschenkt werden, damit
belastbare Annahmen in TREMOD integriert
und Szenarien für den gesamten Straßenverkehr
berechnet werden können Als weiterer Schritt
sollten auch die übrigen Verkehrsträger einbezogen werden.
7 Literaturverzeichnis
[Air Liquide 1996]
Air Liquide, September 1996.
[Air Liquide 2009]
Air Liquide: Air Liquide acquires innovative hydrogen generation technology
in the U.S.; press release, December 2, 2009.
http://www.us.airliquide.com/file/otherelement/pj/h2genpr57729.pdf
[BASt 2002]
Fahrleistungserhebung 2002 - Inlandsfahrleistung und Unfallrisiko, BAStSchriftenreihe "Verkehrstechnik" BASt V 121.
[BMU 2007]
BMU (Hrsg.): Leitstudie 2007 – Aktualisierung und Neubewertung der „Ausbaustrategie Erneuerbare Energien“ bis zu den Jahren 2020 und 2030 mit Ausblick bis 2050; Untersuchung im Auftrag des Bundesministerium für Umwelt,
Naturschutz und Reaktorsicherheit; Stuttgart/Berlin; Februar 2007.
[BMVBS 2007]
ITP/BVU: Prognose der bundesweiten Verkehrsverflechtungen 2025; im Auftrag des BMVBS; FE-Nr. 96.0857/2005; München/Freiburg 2007.
[Bundesregierung 2009]
Nationaler Entwicklungsplan Elektromobilität der Bundesregierung. Berlin
2009.
Energiekonzept für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung, 28. September 2010. Herausgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) und Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), Berlin 2010.
Regierungsprogramm Elektromobilität. Berlin 2011.
[Chiesa et al. 2005]
Chiesa, P.; Consonni, St.; Dipartimento die Energetica, Politecnico di Milano,
Italy; Kreutz, Th.; Williams, R.; Princeton Environmental Institute, Princeton
University, USA: Co-production of hydrogen, electricity and CO2 from coal
with commercially ready technology. Part A: Performance and emissions; International Journal of Hydrogen Energy 30 (2005), 747-767.
[Clean Air Task Force]
Clean Air Task Force: Coal Gasification: Background Information; May 1,
2008.
http://www.deq.state.va.us/export/sites/default/info/pdf/vchec/Attachment_2_C
ATF_Presentation.pdf
[Ecoinvent 2007]
Faist-Emmenegger, M., ESU-services Ltd., Uster; Heck, Th., Paul Scherrer
Institut, Villigen; Jungbluth, N., ESI-services Ltd., Uster: Ecoinvent Data v2.0
(2007); econinvent report No. 6; Villigen, Dezember 2007.
[EEA 2012]
Monitoring of CO2 emissions from passenger cars – Regulation 443/2009.
http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/data/co2-cars-emission.
[Elwatec 2001]
Wenske, M., Elwatec, 14. June 2001.
[EQHHPP 1991]
Euro-Québec Hydro-Hydrogen Pilot Project, Phase II Feasibility Study, Final
Report, March 1991.
[EU 2011]
G. Mellios, S. Hausberger, M. Keller, C. Samaras, L. Ntziachristos: Parameterisation of fuel consumption and CO2 emissions of passenger cars and light
commercial vehicles for modelling purposes; European Union, 2011.
[EU-KOM 2009]
Verordnung (EG) Nr. 443/2009 des Europäischen Parlaments.
[EWI/prognos 2005]
Energiereport IV – Die Entwicklung der Energiemärkte bis zum Jahr 2030 –
Energiewirtschaftliche Referenzprognose (Schlussbericht); Untersuchung im
Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWi); Berlin/Köln/ Basel; März 2005.
57
Kap. 7 Literaturverzeichnis
58
[Foster Wheeler 1996]
Foster Wheeler: Decarbonisation of Fossil Fuels; Report Nr. PH2/2; Prepared
for the Executive Commitee of the IEA Greenhouse Gas R&D Programme;
March 1996.
[GEMIS 2002]
Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme (GEMIS), version 4.1.3.2;
2002. http://www.oeko-institut.org/service/gemis/index.htm
[GEMIS 2011]
Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme (GEMIS), version 4.7, 2011.
http://www.oeko-institut.org/service/gemis/index.htm
[GermanHy 2009]
Deutsche Energie-Agentur (dena), Forschungszentrum Karlsruhe (FZK),
Fraunhofer ISI, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik (LBST) und Wuppertal Institut: GermanHy – Studie zur Frage „Woher kommt der Wasserstoff bis 2050?“ –
Endbericht; Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und
Stadtentwicklung (BMVBS) und in Abstimmung mit der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW), August 2009.
[HBEFA]
Handbuch für Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs, Infras AG Zürich und
Bern. http://www.hbefa.net
[Hydrogenics 2011]
Hydrogenics, Oevel, Belgium: HYSTAT Hydrogen Generators; Industrial
Brochure, November 2011.
http://www.hydrogenics.com/assets/pdfs/Industrial%20brochure_English.pdf
[Hyways 2007]
HyWays – The European Hydrogen Energy Roadmap. www.hyways.de
[IEA 2005]
D. Gielen, G. Simbolotti: Prospects for Hydrogen and Fuel Cells, Bericht der
OECD/IEA, IEA Publication Office, Paris 2005.
[IFEU 2010]
Helms, H., Hanusch, J., IFEU: Energieverbrauch von Elektrofahrzeugen –
Grundlagendaten und Ergebnisse; Internes Arbeitspapier; Arbeiten im Rahmen
der ökologischen Begleitforschung zum „VW Flottenversuch Elektromobilität“;
Heidelberg, März 2010.
[IFEU 2011]
Knörr, W. et al, IFEU: Aktualisierung ”Daten- und Rechenmodell: Energieverbrauch und Schadstoffemissionen des motorisierten Verkehrs in Deutschland
1960-2030 (TREMOD, Version 5.2) für die Emissionsberichterstattung 2012
(Berichtsperiode 1990-2010); im Auftrag des Umweltbundeamtes FKZ 363 01
370; Heidelberg, 30.11.2011.
[INFAS 2010]
Handbuch Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs, Version 3.1.
http://www.hbefa.net; Bern, Februar 2010; Dokumentation in Vorbereitung.
[Iven 2006]
Iven, F-W., Bezirksregierung Köln: Presentation and Discussion of the BREF
on Large Combustion Plants; Deutsch-Rumänische Zusammenarbeit im Umweltrecht, Gemeinsamer LCP-BREF Workshop, Teil IV Kohlekraftwerke;
Sinaia, 13.-17.11.2006.
[JEC 2011]
JRC, EUCAR, CONCAWE (JEC): Well-to-wheels Analysis of Future Automotive Fuels and Powertrains in the European Context – WELL-to-TANK Report
– Version 3c; Juli 2011.
[Kreutz et al. 2005]
Kreutz, Th.; Williams, R.; Princeton Environmental Institute, Princeton University, USA; Consonni, St.; Chiesa, P.; Dipartimento die Energetica, Politecnico
di Milano, Italy: Co-production of hydrogen, electricity and CO2 from coal with
commercially ready technology. Part B: Economic analysis; International Journal of Hydrogen Energy 30 (2005), 769-784.
[LBST 2002]
Vergleich verschiedener Antriebskonzepte im Individualverkehr im Hinblick
auf Energie- und Kraftstoffeinsparung – Endbericht. Ottobrunn, April 2002.
[LBST 2007]
Zittel, W. und Schindler, J. (Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH – LBST):
Alternative World Energy Outlook 2006, A possible path towards a sustainable
future; In: Yogi Goswami D (Hrsg.); Advances in Solar Energy, Vol. 17; S. 1 –
44; Earthscan; UK, USA; 2007.
[LBST 2010]
Schmidt, P.; Stiller, C.; Weindorf, W. et al. (LBST): CNG and LPG for
Transport in Germany – Environmental Performance and Potentials for GHG
Emission Reductions Until 2020; September 2010.
[LBST 2012]
Zerhusen, J. und Schmidt, P. (LBST): Megawattspeicher für den ländlichen
Raum – Verteilnetz wird zum Sammelnetz; in: energie wirtschaft (ew), Dossier
„Smart Energy“, Nr. 11, Jg. 111 (2012), S. 38-41.
[Leitstudie 2010]
DLR, IWES, IfnE: Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in
Europa und global („Leitstudie 2010“); BMU, FKZ 03MAP146, Dezember
2010.
[Leitstudie 2011]
DLR, IWES, IfnE: Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in
Europa und global („Leitstudie 2011“); BMU, FKZ 03MAP146, 29. März
2012.
[LfU 2007]
Bayerisches Landesamt für Umwelt (LfU): Effizienzsteigerung, Emissionsminderung und CO2-Einsparung durch optimierte Motoreinstellung bei BiogasBlockheizkraftwerken zur dezentralen Stromversorgung; Dezember 2007.
http://uok.bayern.de/portal/internalfile/download/EULV26_Endbericht_BHKW
-Emis_1227178761128.pdf
[Linde 1992]
Scholz, W., Verfahren zur großtechnischen Erzeugung von Wasserstoff und ihre Umweltproblematik, Berichte aus Technik und Wissenschaft 67/1992, Linde;
S. 13 – 21.
[McKinsey 2011]
A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis – The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles.
www.zeroemissionvehicles.eu/; abgerufen am 12.12.11
[Michaelis et.al. 2012]
Michaelis, J., Plötz, P., Gnann, T., Wietschel, M.: Vergleich alternativer Antriebstechnologien Batterie-, Plug-in Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeug, erscheint im Tagesband des Workshop: Alternative Antriebskonzepte bei sich
wandelnden Mobilitätsstilen, 2012.
[MiD 2008]
Mobilität in Deutschland (MiD), Infas Institut, DLR. Studie im Auftrag des
BMVBS, 2008. http://www.mobilitaet-in-deutschland.de
[NHEG 1992]
Andreassen, K. et al., Norsk Hydro a.s., Bünger et al., Ludwig-BölkowSystemtechnik GmbH: Norwegian Hydro Energy in Germany (NHEG) - Final
report; Study on the behalf of the "Bundesministerium für Forschung und
Technologie" Germany, the Commission of the European Communities, "Det
kongelige olije- og energedepartement" Norwa, Norsk Hydro a.s. and LudwigBölkow-Systemtechnik GmbH; Hrsg. Norsk Hydro and Ludwig-BölkowSystemtechnik GmbH May 1992; Work Package 400: Systems Analysis: Case
I.Tomforde, H., Linde; personal communication October 2004.
[NPE 2010a]
Die deutsche Normungs-Roadmap. Gemeinsame Geschäftsstelle Elektromobilität der Bundesregierung, Berlin.
www.elektromobilitaet.din.de/¬sixcms_upload/-media/¬3310/¬NormungRoadmap_¬Elektromobilität.pdf; abgerufen am 28.04.11.
[NPE 2010b]
Zwischenbericht der Nationalen Plattform Elektromobilität. Gemeinsame Geschäftsstelle Elektromobilität der Bundesregierung, Berlin, 2010.
[NPE 2011a]
Zweiter Bericht der Nationalen Plattform Elektromobilität. Gemeinsame Geschäftsstelle Elektromobilität der Bundesregierung, Berlin, 2011.
[NPE 2011b]
Zweiter Bericht der Nationalen Plattform Elektromobilität – Anhang. Gemeinsame Geschäftsstelle Elektromobilität der Bundesregierung, Berlin, 2011.
[NPE 2012]
Dritter Bericht der Nationalen Plattform Elektromobilität. Gemeinsame Geschäftsstelle Elektromobilität der Bundesregierung, Berlin, 2012.
[Omnibus 2011]
Lastauto Omnibus Katalog 2012; ETM EuroTransportMedia Verlags- und Ver59
Kap. 7 Literaturverzeichnis
anstaltungs-GmbH, Stand August 2011.
60
[OPTUM 2011]
Florian Hacker et al. (Öko-Institut e.V.): Marktpotenziale und CO2-Bilanz von
Elektromobilität – Arbeitspakete 2 bis 5 des Forschungsvorhabens „OPTUM:
Optimierung der Umweltentlastungspotenziale von Elektrofahrzeugen“ – Anhang zum Schlussbericht; Oktober 2011.
[Prognos 2007]
Seefeldt et al.: Potenziale für Energieeinsparung und Energieeffizienz im Lichte
aktueller Preisentwicklungen, Endbericht 18/06; im Auftrag des Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie; Basel/ Berlin; August 2007.
[Quack 2001]
Quack, H.: Die Schlüsselrolle der Kryotechnik in der WasserstoffEnergiewirtschaft; Wissenschaftliche Zeitschrift Universität Dresden, 50 (2001)
Heft 5/6; S. 112-117.
[RED 2009]
European Union (EU): Renewable Energy Directive (RED) 2009/28/EC;
Brüssel, 05.06.2009.
[Smolinka et al. 2011]
Smolinka, T., Günther, M., Garche, J.: „Stand und Entwicklungspotenzial der
Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Energien
– NOW Studie (Kurzfassung des Abschlussberichts); Fraunhofer-ISE, FCBAT;
05.07.2011.
[Stiller 2001]
Stiller, Chr.: Machbarkeitsuntersuchung der Erzeugung von Wasserstoff in
offshore-Windparks und Auslegung einer geeigneten Verflüssigungsanlage;
Diplomarbeit an der Technischen Universität München, Lehrstuhl für Thermodynamik; L-B-Systemtechnik GmbH, Ottobrunn; November 2001.
[Stuart Energy 2004]
Machens, Chr., Stuart Energy Europe, 12. August 2004.
[TAB 1999]
Nitsch, J.; Pehnt, M.; Dienhart, H.; Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
e.V. (DLR), Schwerpunkt Energietechnik, Institut für Technische Thermodynamik, Abteilung Systemanalyse und Technikbewertung: Analyse von Einsatzmöglichkeiten und Rahmenbedingungen verschiedener Brennstoffzellensysteme in Industrie und zentraler öffentlicher Versorgung; 1- Entwurf; Gutachten im Auftrag des Büros für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen
Bundestag (TAB); Stuttgart, Juni 1999.
[Thielmann et al. 2010]
Thielmann, A., Isenmann, R., Wietschel, M.: Technologie-Roadmap LithiumIonen-Batterien 2030, Karlsruhe, 2010.
[Thielmann et al. 2012]
Thielmann, A., Sauer, A.; Isenmann, R., Wietschel, M.: Technologie-Roadmap
Energiespeicher für die Elektromobilität 2030, Karlsruhe, 2012.
[TU Graz 2009]
Hausberger, S. et al., TU Graz : Emission Factors from the Model PHEM for
the HBEFA Version 3, funded by: Umweltbundesamt GmbH Österreich,
Lebensministerium Österreich, BMVIT Österreich, Joint Research Centre and
ERMES members; Report Nr. I-20/2009 Haus-Em 33/08/679 from 07.12.2009.
[UBA 2006]
Arbeitsgemeinschaft Wuppertal Institut, DLR Stuttgart und IFEU Heidelberg:
Entwicklung einer Gesamtstrategie zur Einführung alternativer Kraftstoffe, insbesondere regenerativ erzeugtem Wasserstoff als Kraftstoff für den mobilen
Bereich; Forschungsvorhaben im Rahmen des UFOPLAN des Umweltbundesamtes (FKZ 203 45 118), 2006.
[VDE 1997]
G. Kiefer: VDE 0100 und die Praxis; VDE-Verlag, 8. Auflage, 1997.
8 Anhang
61
62
8.1
Tabellen zu „Well-to-Tank“ Emissionsfaktoren für Wasserstoffpfade
Tabelle 8-1:
Treibhausgasemissionen „Well-to-Tank“ Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Well-to-Tank“ [g CO2-Äquivalent/MJ]
2020
H2-ERDGAS
2030
2040
2050
[g CO2-Äq./MJ]
121
113
108
104
107
103
101
99
100
97
95
94
50 MPa
124
112
100
96
106
102
99
97
39
36
34
32
64
52
40
36
44
41
38
36
234
231
228
227
256
244
232
227
239
235
232
230
52
49
47
45
77
65
53
48
57
53
51
49
87
82
78
75
H2-KOHLE
H2-NEBENPRODUKT
Fortsetzung Tabelle 8-1, Einheit: [g CO2-Äquivalent/MJ]:
2020
2030
2040
2050
[g CO2-Äq./MJ]
H2-BIOMASSE
11
8
6
4
11
10
8
7
0
0
0
0
8
5
3
1
6
4
3
2
12
9
6
5
170
98
55
28
147
94
53
26
CGH2 aus zentraler Elektrolyse mit Strommix Deutschland via LH 2-Tanklastzug
171
109
59
30
150
97
56
30
H2-STROMMIX
Kap. 8 Anhang: E-Faktoren für Wasserstoffpfade
63
64
Tabelle 8-2:
NMVOC-Emissionen „Well-to-Tank“ Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Well-to-Tank“ [g/MJ]
2020
H2-ERDGAS
2030
2040
2050
[g /MJ]
0,020
0,020
0,020
0,019
0,045
0,044
0,044
0,044
0,013
0,013
0,013
0,013
50 MPa
0,015
0,015
0,014
0,014
0,015
0,015
0,015
0,015
0,014
0,014
0,013
0,013
0,016
0,016
0,015
0,014
0,016
0,016
0,016
0,015
0,005
0,005
0,005
0,004
0,007
0,007
0,006
0,006
0,007
0,007
0,007
0,007
0,006
0,005
0,005
0,005
0,008
0,008
0,007
0,007
0,008
0,008
0,008
0,007
0,011
0,011
0,011
0,011
H2-KOHLE
H2-NEBENPRODUKT
Fortsetzung
Tabelle 8-2, Einheit: [g/MJ]:
2020
2030
2040
2050
[g /MJ]
H2-BIOMASSE
-0,004
-0,004
-0,004
-0,005
-0,008
-0,008
-0,008
-0,008
0,000
0,000
0,000
0,000
0,001
0,001
0,001
0,000
CGH2 aus zentraler Elektrolyse mit Strom aus Offshore Windparks via CGH 2-Druckflaschentrailer 50
MPa
0,001
0,001
0,001
0,001
0,003
0,003
0,003
0,002
0,014
0,011
0,010
0,008
0,012
0,011
0,010
0,008
0,015
0,013
0,011
0,009
0,014
0,013
0,012
0,010
H2-STROMMIX
65
66
Tabelle 8-3:
NOx-Emissionen „Well-to-Tank“ Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Well-to-Tank“ [g/MJ]
2020
H2-ERDGAS
2030
2040
2050
[g /MJ]
0,105
0,098
0,094
0,091
0,093
0,090
0,089
0,087
0,092
0,089
0,088
0,086
0,127
0,115
0,103
0,099
50 MPa
0,109
0,105
0,103
0,102
0,094
0,091
0,090
0,088
0,129
0,118
0,105
0,101
0,111
0,107
0,105
0,104
0,105
0,102
0,100
0,099
0,139
0,128
0,115
0,111
0,121
0,118
0,116
0,114
0,122
0,119
0,117
0,116
0,156
0,145
0,132
0,128
0,138
0,135
0,133
0,131
0,064
0,059
0,057
0,055
H2-KOHLE
H2-NEBENPRODUKT
Fortsetzung
2020
2030
2040
2050
[g /MJ]
H2-BIOMASSE
0,182
0,179
0,177
0,176
0,241
0,239
0,238
0,237
0,000
0,000
0,000
0,000
0,011
0,008
0,007
0,005
0,010
0,008
0,008
0,007
0,025
0,022
0,021
0,020
0,223
0,150
0,120
0,097
0,193
0,143
0,115
0,093
0,226
0,169
0,130
0,106
0,207
0,157
0,130
0,107
H2-STROMMIX
67
68
Tabelle 8-4:
SO2-Emissionen „Well-to-Tank“ Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Well-to-Tank“ [g/MJ]
2020
2030
2040
2050
[g /MJ]
H2-ERDGAS
0,015
0,010
0,007
0,005
0,008
0,005
0,004
0,003
0,007
0,005
0,004
0,003
50 MPa
0,024
0,015
0,008
0,006
0,010
0,007
0,006
0,005
0,007
0,005
0,004
0,003
0,024
0,015
0,008
0,006
0,010
0,007
0,006
0,005
0,119
0,116
0,115
0,114
0,133
0,124
0,118
0,115
0,121
0,118
0,117
0,116
0,138
0,136
0,135
0,134
0,152
0,143
0,137
0,134
0,140
0,137
0,136
0,135
0,010
0,007
0,005
0,004
H2-KOHLE
H2-NEBENPRODUKT
Fortsetzung
2020
2030
2040
2050
[g /MJ]
H2-BIOMASSE
0,005
0,003
0,002
0,001
0,002
0,000
-0,001
-0,001
0,000
0,000
0,000
0,000
0,005
0,003
0,002
0,001
MPa
0,004
0,002
0,002
0,001
0,007
0,004
0,003
0,002
0,111
0,059
0,038
0,023
0,096
0,056
0,036
0,022
0,111
0,065
0,040
0,024
0,097
0,057
0,037
0,023
H2-STROMMIX
69
70
Tabelle 8-5:
CO-Emissionen „Well-to-Tank“ Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Well-to-Tank“ [g/MJ]
2020
2030
2040
2050
[g /MJ]
H2-ERDGAS
0,050
0,048
0,047
0,045
0,045
0,044
0,044
0,043
0,056
0,055
0,054
0,054
50 MPa
0,077
0,073
0,066
0,064
0,063
0,062
0,061
0,061
0,057
0,056
0,055
0,055
0,077
0,074
0,067
0,065
0,064
0,063
0,062
0,062
0,025
0,024
0,024
0,023
0,046
0,043
0,036
0,034
0,033
0,031
0,031
0,030
0,029
0,028
0,027
0,027
0,050
0,046
0,039
0,037
0,036
0,035
0,034
0,034
0,032
0,031
0,030
0,029
H2-KOHLE
H2-NEBENPRODUKT
Fortsetzung
2020
2030
2040
2050
[g /MJ]
H2-BIOMASSE
0,063
0,062
0,061
0,061
0,092
0,091
0,091
0,091
0,000
0,000
0,000
0,000
0,007
0,006
0,006
0,005
MPa
0,006
0,005
0,005
0,004
0,013
0,012
0,012
0,011
0,140
0,108
0,102
0,091
0,121
0,104
0,098
0,087
0,141
0,121
0,109
0,097
0,126
0,109
0,104
0,093
H2-STROMMIX
71
72
Tabelle 8-6:
Emissionen Staub und Partikel „Well-to-Tank“ Wasserstoffproduktion, Verteilung und Tankstelle „Well-to-Tank“ [g/MJ]
2020
2030
2040
2050
[g /MJ]
H2-ERDGAS
0,006
0,003
0,002
0,001
CGH2 aus Erdgas in einer dezentralen (15 MWH2) Dampfreformierungsanlage via H 2-Pipeline
0,004
0,002
0,002
0,001
CGH2 aus Erdgas in einer zentralen (300 MWH2) Dampfreformierungsanlage via H 2-Pipeline
0,003
0,002
0,002
0,001
CGH2 aus Erdgas in einer zentralen (300 MWH2) Dampfreformierungsanlage via LH 2-Tanklastzug
CGH2 aus Erdgas in einer zentralen (300 MWH2) Dampfreformierungsanlage via CGH 2-Druckflaschentrailer
50 MPa
0,010
0,004
0,002
0,001
0,004
0,002
0,002
0,001
0,003
0,002
0,002
0,001
0,010
0,004
0,002
0,001
0,004
0,002
0,002
0,001
0,016
0,015
0,015
0,014
0,022
0,017
0,015
0,014
0,017
0,015
0,015
0,014
0,019
0,017
0,017
0,017
0,025
0,020
0,017
0,016
0,019
0,018
0,017
0,017
0,004
0,002
0,001
0,001
H2-KOHLE
H2-NEBENPRODUKT
Fortsetzung
2020
2030
2040
2050
[g /MJ]
H2-BIOMASSE
0,006
0,005
0,005
0,004
0,004
0,003
0,003
0,003
0,000
0,000
0,000
0,000
0,002
0,001
0,000
0,000
MPa
0,001
0,001
0,000
0,000
0,002
0,001
0,000
0,000
0,043
0,014
0,005
0,000
0,037
0,014
0,005
0,000
0,043
0,016
0,006
0,000
0,037
0,014
0,005
0,000
H2-STROMMIX
73
74
Kap. 8 Anhang: Beschreibung der Wasserstoffpfadkomponenten
8.2
Beschreibung der Wasserstoffpfadkomponenten
Im Folgenden werden die der Untersuchung zu Grunde gelegten Technologien zur Wasserstofferzeugung (Elektrolyse, Reformierung, Vergasung), Konditionierung (Komprimierung, Verflüssigung),
Transport und Abgabe (Lkw, Pipeline, Tankstelle) beschrieben. Neben den betrachteten Technologieoptionen stehen noch andere, nicht in die Untersuchung einbezogene Alternativen zur Verfügung.
8.2.1
H2-Produktion
Nebenprodukt-H2
Bei verschiedenen chemischen Prozessen wie z.B. der Chloralkali-Elektrolyse oder in einigen Prozessen
in der Erdölraffinerie fällt Wasserstoff als Nebenprodukt an. Heute wird der als Nebenprodukt anfallende Wasserstoff zur Strom- und Wärmeerzeugung eingesetzt und ersetzt damit Erdgas. Wenn der Wasserstoff für andere Zwecke eingesetzt wird wie hier als Kraftstoff für Fahrzeuge muss für die stationäre
Nutzung Erdgas bezogen werden. Somit kann die Bereitstellung von Wasserstoff aus der Produktion
von Wasserstoff als Nebenprodukt ähnlich wie die Bereitstellung von Erdgas bilanziert werden.
Für den Einsatz als Kraftstoff muss der Wasserstoff in der Regel gereinigt werden. Für die Aufbereitung
von Wasserstoff auf eine Reinheit von mehr als 99,99 % wird in der Regel eine Druckwechseladsorptionsanlage („Pressure Swing Adsorption“ (PSA)) verwendet.
Eine Druckwechseladsorptionsanlage besteht aus mehreren Adsorptionskolonnen, die zeitlich versetzt
regeneriert werden. Die Adsorption erfolgt bei hohem Druck (typischerweise 1 bis 2 MPa), die Desorption (Regenerierung) bei niedrigem Druck (0.1 MPa).
Abbildung 38:
Druckwechselanlage mit 4 Adsorptionskolonnen [Knoll 1990]
Bei der Regenerierung werden die absorbierten Gasbestandteile (z.B. H2O, NH3, CO2, CH4, CO, N2, O2)
mit Wasserstoff ausgespült. Das Spülgas enthält daher neben den abzutrennenden unerwünschten Gasbestandteilen auch geringe Mengen an Wasserstoff. Die H2-Ausbeute hängt dabei von der Art der abzutrennenden Gasbestandteile, vom Druck und von der H2-Konzentration im Rohgas ab. Je niedriger die
H2-Konzentration im Rohgas, desto niedriger ist die H2-Ausbeute. Als Adsorbentien werden unter anderem zeolithische Molekularsiebe oder Kohlenstoffmolekularsiebe eingesetzt.
Fällt der Nebenprodukt-Wasserstoff bei einem niedrigeren Druck an als für die Druckwechseladsorption
nötig, ist eine Kompression erforderlich. Es wird angenommen, dass der Wasserstoff von 0,13 MPa auf
75
2 MPa komprimiert wird. Der daraus resultierende Energiebedarf beträgt 0,054 MJ pro MJ gereinigtem
Wasserstoff. Der Wasserstoff stammt aus der Chloralkali-Elektrolyse und weist daher einen hohen Anteil am Rohgas auf. Die H2-Ausbeute beträgt etwa 95 %. Der Rest befindet sich im Spülgas und wird
abgefackelt.
Der Strombedarf für die Druckwechseladsorptionsanlage wird durch Strom aus dem Strommix Deutschland gedeckt (0,4 kV-Ebene).
Dampfreformierung von Erdgas
Große Dampfreformieranalagen sind Stand der Technik. Eine weitere Kostenreduktion in der Zukunft
ist nicht zu erwarten. Große Dampfreformieranlagen werden heute hauptsächlich in Erdölraffinerien
eingesetzt und dienen dort zur Deckung des H2-Bedarfs für die Entschwefelung und Hydrierung.
In [Foster Wheeler 1996] wurde eine typische große Dampfreformieranlage ohne und mit CO2Abscheidung und –Speicherung (Carbon Capture and Storage – CCS) beschrieben. Die Anlage besteht
aus drei Einheiten mit einer H2-Produktionskapazität von je 93.771 Nm³/h (281.313 MWH2 bezogen auf
den unteren Heizwert). In [Linde 1992] wurde eine typische große Dampfreformieranlage mit einer H2Produktionskapazität von 100.000 Nm³/h beschrieben, die einen ähnlichen Wirkungsgrad aufweist.
Kleine Dampfreformieranlagen für die H2-Produktion „vor Ort“ an der Tankstelle („onsite“) sind seit
mehr als 15 Jahren in der Entwicklung. Bisher wurden kleine Dampfreformierungsanlagen für die Produktion von Wasserstoff für industrielle Prozesse – z. B. in der Halbleiterindustrie - eingesetzt. Kleine
Dampfreformierungsanlagen für den Einsatz an H2-Tankstellen wurden unter anderen von H2Gen (inzwischen von Air Liquide übernommen) entwickelt [Air Liquide 2009].
Tabelle 8-7:
Wasserstoff aus Erdgasdampfreformierung 2020-2050
Einheit
„Vor Ort“
15 MW
≥300 MW
ohne CCS
≥300 MW
mit CCS
MWH2
0,667
15
844
844
Input Erdgas
MJ/MJH2
1,450
1,396
1,315
1,365
Input Strom
MJ/MJH2
0,094
0,006
0
0
CO2
g/MJH2
79,8
76,8
72,3
11,9
CH4
g/MJH2
0,00039
0,016
0,016
0,016
N2O
g/MJH2
0,00021
NOx
g/MJH2
0,015
0,02
0,023
0,023
NMVOC
g/MJH2
0,00025
0,03
CO
g/MJH2
0,0048
0,01
0,022
0,022
Leistung
Emissionen
Große Dampfreformieranlagen zur Wasserstoffproduktion für den industriellen Einsatz sind ausgereifte
Technologien. Hier sind keine Wirkungsgradsteigerungen zu erwarten. Bei der dezentralen Reformierung „vor Ort“ an der Tankstelle besteht noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf.
Der Erdgasinput wird mit den vorgelagerten Prozessen zur Bereitstellung von Erdgas verknüpft. Für den
Energieeinsatz und die Emissionen für die Erdgasbereitstellung wurden die gleichen Annahmen getroffen wie in [JEC 2011].
Der Strombedarf für die Dampfreformieranlage für die Varianten mit H2-Produktion „vor Ort“ wird
durch Strom aus dem Strommix Deutschland gedeckt. Die Tankstelle ist an das Niederspannungsnetz
(0,4 kV-Ebene) angeschlossen.
76
Vergasung von Steinkohle
Anlagen zur Vergasung von Steinkohle zur Produktion von Synthesegas für die nachgeschaltete Fischer-Tropsch-Synthese existieren in Südafrika.
In [Foster Wheeler 1996] wird die Produktion von reinem Wasserstoff mittels Erdgasdampfreformierung und der Vergasung von Steinkohle ohne und mit CO2-Abscheidung und -Speicherung (Carbon
Capture and Storage – CCS) untersucht. Die Vergasung erfolgt auf Basis einer von Texaco entwickelten
Flugstromvergasung. Die Schadstoffemissionen resultieren aus der Verbrennung von Kohlegas in einem
Gas- und Dampfturbinenkraftwerk und wurden mit Ausnahme von SO2 aus [TAB 1999] abgeleitet. Die
SO2-Emission wurden aus [Clean Air Task Force 2008] entnommen.
Tabelle 8-8:
H2 aus Vergasung von Steinkohle
Leistung (3 Einheiten)
Steinkohleverbrauch
Einheit
ohne CCS
mit CCS
MWH2
845
845
MJ/MJH2
1,967
2,303
50,8 %
43,4 %
Wirkungsgrad
Emissionen
CO2
g/MJH2
189.2
5,6
SO2
g/MJH2
0,013
0,015
NOx
g/MJH2
0,0030
0,0046
Staub
g/MJH2
0,0001
0,0001
NMVOC
g/MJH2
0,0002
0.0003
CO
g/MJH2
0,0010
0.0015
Die in [Foster Wheeler 1996] beschriebene Anlage weist einen sehr hohen CO2-Abscheidewirkungsgrad
auf, der zu sehr niedrigen CO2-Emissionen von etwa 5,6 g pro MJ Wasserstoff führt. Das führt allerdings zu einem im Vergleich zu anderen Konzepten13 sehr niedrigem Wirkungsgrad von etwa 43,4 %.
Ohne CCS wird ein Wirkungsgrad von 50,8 % erreicht. Sämtliche Hilfsenergie für den Betrieb von
Nebenaggregaten (Pumpen, Gebläse, Verdichter, Brennstoffzuführung, etc.) wird innerhalb der Anlage
erzeugt. Es wird kein Strom extern bezogen und es fällt kein Überschussstrom an.
Der Steinkohleinput wird mit den vorgelagerten Prozessen zur Bereitstellung von Steinkohle verknüpft.
Für den Energieeinsatz und die Emissionen für die Bereitstellung von Steinkohle wurden die gleichen
Annahmen getroffen wie in [JEC 2011].
Vergasung von Biomasse
Als Einsatzmaterial zur Biomassevergasung für die Wasserstoffherstellung
lignocellulosehaltige Biomasse wie z.B. Holzhackschnitzel und Stroh.
eignet
sich
In der ersten Stufe der Biomassevergasung fallen Koks, Methanol und Primärgase an, in der zweiten
entsteht durch die Reaktion mit (Luft-)Sauerstoff und/oder Wasserdampf zunächst ein Gasgemisch aus
H2, CO, CO2, CH4 und (bei Vergasung mit Luft: N2). Dabei wird zwischen autothermer Vergasung und
allothermer Vergasung unterschieden. Bei der autothermen Vergasung wird Luft oder Sauerstoff als
Vergasungsmittel eingesetzt. Der Wärmebedarf der endothermen Vergasungsreaktionen erfolgt durch
parallel im Vergasungsprozess ablaufende exotherme Reaktionen mit dem zugeführten Sauerstoff. Bei
der allothermen Vergasung wird Wasserdampf als Vergasungsmittel eingesetzt. Der Wärmebedarf für
die endothermen Vergasungsreaktionen wird über einen Wärmeträger von außen in den Prozess
eingekoppelt.
13
Vgl. [Chiesa et al. 2005] und [Kreutz et al. 2005] mit 14 g CO2/MJ H2 und 57% Wirkungsgrad.
77
Bei der Vergasung mit Luft kommt es zu einem sehr hohen Anteil an Stickstoff von mehr als 50 % im
Produktgas. Für die Produktion von reinem Wasserstoff kommt nur die Vergasung mit reinem Sauerstoff oder die allotherme Vergasung mit Wasserdampf in Frage, wobei die allotherme Vergasung mit
Wasserdampf bevorzugt eingesetzt wird (höherer H2-Anteil im Produktgas, keine Luftzerlegungsanlage
erforderlich).
Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) entwickelte in Zusammenarbeit
mit anderen Instituten und Firmen das sogenannte „Absorption Enhanced Reforming“ (AERVerfahren). Abbildung 39 zeigt das Prinzip des AER-Verfahrens. Vergasung und Verbrennung erfolgen
in der Wirbelschicht wie in der existierenden Anlage zur Produktion von Strom und Wärme in Güssing.
Spülgas
(zum Gasmotor)
Rein-Wasserstoff
PSA
Vergasung
Produktgas
Abgas
Regenerierung
CaO
Absorption
Enhanced
Reforming
(AER)
Verbrennung
Regenerierung
CaCO3, Koks
Biomasse
Abbildung 39:
Pilotanlage in Güssing
Bild: www.renet.at
Luft
Dampf
Einsatz des „Absorption Enhanced Reforming“ (AER) für die Produktion von
reinem Wasserstoff
In der in [ZSW 2008] beschriebenen Konfiguration werden dabei 3,4 MW reiner Wasserstoff, 1,16 MW
Strom (netto) und 3,1 MW nutzbare Wärme erzeugt bei einem Biomasseinput von 10 MW.
Tabelle 8-9:
Holzhackschnitzel
Stroh
H2
Strom
Wärme
Emissionen
NOx
Staub
NMVOC
CO
Energiebedarf für die Komprimierung des Wasserstoffs
I/O
Einheit
Input
Input
Output
Output
Output
MW
MW
MW
MW
MW
7,50
2,50
3,40
1,16
3,10
-
g/MJH2
g/MJH2
g/MJH2
g/MJH2
0,514
0,011
0,004
0,266
Der Überschussstrom wird gegen ein mit Holzhackschnitzeln betriebenes Blockheizkraftwerk (BHKW)
mit integrierter Biomassevergasung auf Basis der gleichen Vergasungstechnologie bilanziert. Die Wärme wird gegen ein mit Holzhackschnitzel betriebenes Heizwerk mit einem Wirkungsgrad von 85 % bilanziert.
Elektrolyse
Elektrolyseanlagen werden von mehreren Herstellern vor allem im kleineren Leistungsbereich angeboten. Hydrogenics (früher Stuart Energy) ist eine der Firmen, welche Elektrolyseanlagen für den Einsatz
an H2-Tankstellen (Elektrolyse „onsite“) anbietet. Der Energiebedarf einer Elektrolyseanlage inklusive
aller Nebenaggregate (Gleichrichter, Pumpen, Lüfter, etc.) mit einer H2-Produktionskapazität von 120
78
Nm³/h (360 kWH2) beträgt 4,80 kWh pro Nm³ Wasserstoff (1,60 MJ pro MJ H2 bezogen auf den unteren
Heizwert). Zusätzlich wird noch Strom für die Feinreinigung des Wasserstoffs mit einem „Deoxo Drier“
auf eine Reinheit von mehr als 99,995 % benötigt (0,0139 MJ pro MJ H2 bezogen auf den unteren
Heizwert). Ein Teil des produzierten Wasserstoffs wird dabei oxidiert. Der H2-Verlust beträgt daher etwa 4 %. [Stuart Energy 2004]. Hydrogenics gibt in ihrem Prospekt einen Energiebedarf von etwa 5,2
kWh pro Nm³ Wasserstoff (1,733 MJ/MJH2) bei Volllast an [Hydrogenics 2011], was nahe bei den in
Tabelle 8-10 für 2020 angenommenen Werten liegt. Im Teillastbereich ist der spezifische Energiebedarf
bei Elektrolyseuren in der Regel niedriger als bei Volllast.
Die technischen und ökonomischen Daten für die zentrale Elektrolyse basieren auf einer Anlage mit einer H2-Produktionskapazität von 20.000 Nm³/h (60 MWH2), bestehend aus 25 Modulen mit je 800
Nm³/h. Der Energiebedarf wird mit 4,3 kWh pro Nm³ Wasserstoff (1,433 MJ/MJH2) angegeben
[Elwatec 2001]14 Für größere Leistungen werden mehr Module installiert und mehr Gebäude errichtet.
Der Wirkungsgrad bleibt dabei gleich. Für die zentrale Elektrolyse wird angenommen, dass die Gasreinigung über „DeOxo Drier“ in den 4,3 kWh/Nm³ bereits enthalten ist.
Für 2030 wird angenommen, dass der Energiebedarf der dezentralen Elektrolyse ohne Gasreinigung von
heute 1,600 MJ pro MJ Wasserstoff auf etwa 1,433 MJ pro MJ sinkt bzw. der Wirkungsgrad bezogen
auf den unteren Heizwert von 62,5 auf etwa 69,8 % ansteigt (inklusive „DeOxo-Drier“: 59 % auf 66 %).
Tabelle 8-10:
Wasserstoff aus Elektrolyse
„Vor Ort“
Zentral
Einheit
2020
2030-2050
2020
2030-2050
MWH2
0,36
0,36
60
60
Elektrolyse
MJ/MJH2
1,667
1,493
k.A.
k.A.
Feinreinigung auf 99,995 %
MJ/MJH2
0,014
0,014
k.A.
k.A.
Summe
MJ/MJH2
1,681
1,507
1,433
1,433
Typische Leistung
Elektrischer Energiebedarf
8.2.2
H2-Speicherung in Salzkavernen
Für zentrale Elektrolyseanlagen mit Strom aus Wind wurde angenommen, dass der erzeugte Wasserstoff in einer Salzkaverne zwischengespeichert wird. Der Wasserstoff wird von einem Druck von 3 MPa
(Ausgang Elektrolyse) auf 19,8 MPa komprimiert. Der Energiebedarf der Kompressoren beträgt etwa
0,034 MJ pro MJ Wasserstoff. Die H2-Verluste aus der Salzkaverne sind vernachlässigbar, wie reale
Anlagen in Teesside (UK) und dem ConocoPhillips Clemens Dome (Texas, USA, 2.520 t H2Speicherkapazität) zeigen, die seit mehreren Jahrzehnten zur Wasserstoffspeicherung in Salzkavernen
verwendet werden.
Das Verhalten von Wasserstoff in Porenspeichern ist derzeit Gegenstand von Untersuchungen und wird
daher nicht im Rahmen dieser Studie berücksichtigt.
Der gespeicherte Wasserstoff wird für den Transport und die Verteilung dann entweder verflüssigt oder
in ein H2-Pipelinenetz eingespeist.
8.2.3
H2-Verflüssigung
Bei Umgebungsdruck wird Wasserstoff bei einer Temperatur von 20,3 K (-252,85°C) flüssig. Ein Liter
flüssiger Wasserstoff („liquefied hydrogen“ – LH2) hat einen Energiegehalt von etwa 8,49 MJ bezogen
auf den unteren Heizwert. Das Prinzip der H2-Verflüssigung beruht auf der isentropen Entspannung mit
Entspannungsturbinen und der Entspannung unter Ausnutzung des Joule-Thomson Effekts.
14
Elwatec wurde später von Stuart Energy übernommen. Stuart Energy wurde inzwischen von Hydrogenics
übernommen.
79
Die Entspannung eines Gases durch eine adiabate Öffnung reduziert den Druck und erhöht oder senkt
dessen Temperatur, abhängig vom Gas und dessen Temperatur. Das heißt, der Joule-ThomsonKoeffizient eines realen Gases kann sowohl positiv als auch negativ sein. Ist der Joule-ThomsonKoeffizient positiv, kühlt sich das Gas beim Ausströmen aus einem Ventil ab. Ist der Joule-ThomsonKoeffizient negativ, erwärmt sich das Gas beim Ausströmen aus einem Ventil. Da bei Wasserstoff der
Joule-Thomson Koeffizient bei Umgebungstemperaturen negativ ist, muss dieser zunächst unter eine
bestimmte Temperatur, die so genannte Inversionstemperatur abgekühlt werden. In heutigen kommerziellen H2-Verflüssigungsanlagen werden isentrope Entspannung und Entspannung durch Ausnutzung des
Joule-Thomson-Effekts kombiniert. Zusätzlich erfolgt noch eine weitere Vorkühlung mit flüssigem
Stickstoff.
Das heute am häufigsten verwendete großtechnische Kälte-Verfahren ist der Claude-Zyklus. Dabei wird
der eingesetzte Wasserstoff auch im Kreislauf geführt und dient somit gleichzeitig als Kältemittel. Der
Wasserstoff wird mit Hilfe von flüssigem Stickstoff zunächst von Umgebungstemperatur auf 80 K (193,15°C) abgekühlt. Anschließend wird der Wasserstoff durch wiederholtes Verdichten und Entspannen durch Entspannungsturbinen von 80 K auf 30 K (-243.15°C) weiter abgekühlt. Die Entspannungsturbinen werden im Druckbereich zwischen 2,2 und 0,3 MPa betrieben. Die weitere Abkühlung von 30
auf 20,3 K (-252,85°C) erfolgt schließlich über das Joule-Thomson-Ventil durch Entspannen von 2,1
MPa auf 0,12 MPa. Die größte bisher jemals gebaute Verflüssigungsanlage stand in Sacramento in den
USA und wies eine Kapazität von 54 t LH2 pro Tag auf. Die Anlage wurde 1964 errichtet und ist inzwischen nicht mehr in Betrieb.
Abbildung 40 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer H2-Verflüssigungsanlage. Der Katalysator dient zur
Beschleunigung der Ortho-Para-Umwandlung. Wasserstoff kommt in der Natur in zwei verschiedenen
Modifikationen bezüglich der Richtung des Kernspins vor. Bei Ortho-Wasserstoff haben die Kernspins
eine parallele Richtung. Bei Para-Wasserstoff sind die Kernspins beider Atome entgegengesetzt. Bei
Raumtemperatur liegt eine Mischung aus 75 % Ortho- und 25 % Para-Wasserstoff vor, während bei
sehr tiefen Temperaturen reiner Para-Wasserstoff die energetisch günstigere Modifikation darstellt. Da
die Umwandlung von Ortho- in Para-Wasserstoff ein relativ langsamer Prozess ist, müssen in H2Verflüssigern Katalysatoren eingesetzt werden, um die Umwandlung schon während der Abkühlung
und Verflüssigung des Wasserstoffs durchzuführen (gleitende Umwandlung). Dadurch wird vermieden,
dass die bei der Umwandlung frei werdende Reaktionswärme zu einer erhöhten Verdampfung bei der
Speicherung des flüssigen Wasserstoffs führt.
80
H2-Speicher
1980 Nm3
70 t LH2
Speicher
H2Reinigung
10 t H2/d
(4630 Nm3/h)
(warm)
H2-Kompressor
Zum LH2-Trailer
H2
Cold Box
N2
Cold Box
H2-Reinigung
(kalt)
Katalysator
H2-Turbine
(hohe Drehzahl)
H2-Kompressor
(Rückführung)
N2-Turbine
N2-Kompressor (Rückführung)
H2-Kompressor
Abbildung 40:
N2-Kompressor
Verfahrensflussbild für eine H2-Verflüssigungsanlage mit einer Kapazität von
10 t LH2 pro Tag [Air Liquide 1996].
Die „Cold Box“ kann stehend und liegend ausgeführt werden. Bei der H2-Verflüssigungsanlage in Leuna befindet sich die „Cold Box“ in der Halle und ist liegend ausgeführt.
LH2-Speicher
Cold Box
(im Gebäude)
Abbildung 41:
H2-Verflüssigungsanlage in Leuna mit einer H2-Verflüssigungskapazität von 5 t
LH2 pro Tag (Bild: LBST 2010)
Die theoretisch minimale Arbeit für die Verflüssigung von Wasserstoff bei einem Eingangsdruck von
0,1 MPa beträgt 3,92 kWh pro kg LH2 (ca. 0,12 MJ pro MJ LH2 bezogen auf den unteren Heizwert).
Der Energiebedarf einer H2-Verflüssigungsanlage hängt vom Eingangsdruck ab. Je höher der Eingangsdruck, desto niedriger der spezifische Energiebedarf.
81
In der Praxis ist der Energieaufwand höher. Bei den bisher realisierten Anlagen liegt er nicht unter 12
kWh pro kg LH2 (ca. 0,36 MJ pro MJ Wasserstoff). Zum Beispiel beträgt der Energiebedarf der H2Verflüssigungsanlage in Magog in Kanada mit einer Produktionskapazität von etwa 13,6 t LH2 pro Tag
(8.000 l LH2/h bzw. 18,9 MWLH2) etwa 0,37 MJ pro MJ LH2. Die Anlage befindet sich seit 1990 in Betrieb. Detaillierte Studien [EQHHPP 1991] und [NHEG 1992], die unter anderem Auslegungsdaten von
H2-Verflüssigungsanlagen des Anlagenherstellers Air Liquide verwenden (Produktionskapazität ca. 40 t
LH2/d), ergaben einen Energiebedarf von etwa 0,48 MJ pro MJ LH2 bei einem Vordruck von 0,1 MPa
und 0,40 kWh pro kWh LH2 bei einem Vordruck von 2,1 MPa.
Neben dem Vordruck, hängt der Energiebedarf von H2-Verflüssigungsanalgen erheblich von der Größe
der Anlage ab. Je größer die Anlage, desto niedriger ist der spezifische Energiebedarf (Abbildung 42).
Mit der heute eingesetzten Technologie auf Basis des „Claude Cycle“ kann konservativ bei großen Anlagen (>170 t LH2/d bzw. > 240 MWLH2) mit einem Energiebedarf von etwa 0,30 MJ pro MJ LH2 gerechnet werden.
Quelle: Linde, 2004
0.8
~0.3 kWh/kWhLH2
Abbildung 42:
Elektrischer Energiebedarf von H2-Verflüssigungsanlagen in Abhängigkeit von
der Produktionskapazität
Heutige H2-Verflüssigungsanlagen sind nicht auf niedrigen Energiebedarf optimiert. [Quack 2001] hat
das Potenzial für die Reduzierung des elektrischen Energieeinsatzes von H2-Verflüssigungsanalgen ermittelt. Mit Hilfe des „Brayton Cycle“ ist es möglich, bei einem Vordruck von 0,1 MPa (Umgebungsdruck) den Energieeinsatz für die H2-Verflüssigung auf 7 kWh pro kg LH2 (0,21 MJ pro MJ LH2) zu reduzieren bei einem Enddruck des Produkts (LH2) von 0,1 MPa (der Druck des Endprodukts sollte möglichst niedrig sein). Bei einem Vordruck von 2 MPa sind es nur noch etwa 5,3 kWh pro kg LH2 (0,16
MJ pro MJ LH2). In [Stiller 2001] wurde ein Energiebedarf von etwa 0,21 MJ pro MJ LH2 bei einem
Vordruck von 4 MPa ermittelt für eine Anlage mit einer H2-Verflüssigungskapazität von 173 t LH2 pro
Tag (240 MWLH2).
In dieser Studie wurde für 2020 und 2030 ein Energiebedarf von 0,30 MJ pro MJ LH2 und für 2040 und
2050 ein Energiebedarf von 0,21 MJ pro MJ LH2 angenommen.
Bei fossil erzeugtem Wasserstoff (Dampfreformierung, Kohlevergasung) wird der für die H2Verflüssigung benötigte Strom aus dem Strommix Deutschland bezogen (Hochspannungsebene, ≥110
kV). Bei Wasserstoff aus erneuerbarem Strom wird für die H2-Verflüssigung ebenfalls erneuerbarer
Strom verwendet.
82
8.2.4
H2-Verteilung
Pipeline
Bei der Verteilung von Wasserstoff tritt lediglich ein Druckverlust auf. Es gibt keine stofflichen Verluste. Eine Zwischenverdichtung ist nicht erforderlich. Es wurde angenommen, dass der Eingangsdruck an
den H2-Tankstellen 2 MPa beträgt.
LH2-Tanklastzug
Der produzierte Flüssigwasserstoff wird mit einem LKW mit einer Transportkapazität von 3,5 t LH2
über eine Entfernung von 150 km (einfach) zur Tankstelle transportiert.
Abbildung 43:
LKW zum Transport von LH2 (Bild: Linde, 2005)
Der H2-Verlust aufgrund von Umfüllvorgängen wird mit 0,5 % angenommen.
Der Sattelauflieger wird von einer Zugmaschine gezogen. Das maximal zulässige Gesamtgewicht des
Sattelzugs beträgt 40 t.
CGH2-Druckflaschen-Tanklastzug (50 MPa)
Druckflaschen-Tanklastzüge (engl. „trailer“) mit einem nominalen H2-Speicherdruck von 50 MPa werden derzeit als neues Transportkonzept zur Versorgung von Verbrauchern mit Wasserstoff in der frühen
Infrastrukturphase entwickelt.
Das EU-Projekt „European Eureka Eurostar Project for H2 trailer of 500 bars“ hat zum Ziel einen
Sattelauflieger zu entwickeln, der mit CGH2-Druckflaschen bestückt ist, die über einen nominalen Speicherdruck von 50 MPa verfügen. Der Projektstart erfolgte im September 2011. Technologielieferant ist
die Firma Calvera Maquinaria e Instalaciones S.L. aus dem spanischen Epila.
In dieser Studie wurde angenommen, dass Druckflaschentrailer mit einem maximalen Druck von
50 MPa und einer daraus resultierenden Transportkapazität von etwa 0,95 t CGH2 (netto) demnächst, also deutlich vor 2020 zur Verfügung stehen. Der Druckflaschentrailer wird mit der gleichen Sattelzugmaschine gezogen wie der LH2-Trailer.
Der Sattelauflieger wird von einer Zugmaschine gezogen. Das maximal zulässige Gesamtgewicht des
Sattelzugs beträgt 40 t.
Zugmaschine
In [Omnibus 2011] wird der Kraftstoffverbrauch von Sattelzugmaschinen mit 33 bis 35 l Diesel pro 100
km angegeben. In dieser Studie wird analog zu [JEC 2011] der Kraftstoffverbrauch des LKW mit
Sattelauflieger und einem zulässigen Gesamtgewicht von 40 t mit 35 l Diesel pro 100 km angenommen.
83
8.2.5
H2-Tankstellen
CGH2-Tankstelle (70 MPa, Booster-Konzept)
CGH2-Tankstellen werden in Verbindung mit der Erzeugung von Wasserstoff vor Ort („onsite“) sowie
in Verbindung mit einer H2-Pipeline oder der Anlieferung über Druckflaschentrailer verwendet. CGH2Tankstellen können nach dem „Mehr-Bank-System“ oder dem „Booster-Konzept“ ausgeführt werden.
In dieser Studie wird angenommen, dass die Tankstellen nach dem „Booster-Konzept“ betrieben werden. Das Druckniveau des stationären H2-Speichers beträgt maximal 30 MPa. Bei der Betankung eines
Fahrzeugs wird mit Hilfe eines Booster-Kompressors das Druckniveau auf den erforderlichen Druck
angehoben.
H 2-Speicher
(15 - 30 MPa)
2,0 MPa
PrimärKompressor
Abbildung 44:
BoosterKompressor
70 MPa @ 15°C
88 MPa @ 85°C
CGH2-Tankstelle mit Booster-Kompressor
Im Fall einer H2-Anlieferung über Druckflaschen-Trailer (CGH2-Trailer) kann auf einen Primärkompressor verzichtet werden.
Abbildung 45:
CGH2 mit Booster-Kompressor und H2-Anlieferung über CGH2-Trailer
Der Energiebedarf für die Komprimierung des Wasserstoffs hängt vom Ausgangs- und Enddruck des
Wasserstoffs sowie der Notwendigkeit einer Vorkühlung ab. Alle CGH2-Tankstellen sind mit Vorküh84
lung ausgerüstet. Der Wasserstoff wird auf einen Druck von 88 MPa verdichtet, um in jedem Fall einen
vollen Fahrzeugtank (70 MPa bei 15°C) zu garantieren.
Tabelle 8-11:
Elektrischer Energiebedarf für die Komprimierung des Wasserstoffs
Ausgangsdruck
Enddruck
Max. Druck Fahrzeugtank @ 15°C
Elektrischer Energiebedarf
Einheit
„Vor Ort“
Pipeline
Trailer
MPa
MPa
MPa
MJ/MJCGH2
1
88
70
0,101
2
88
70
0,086
10
88
70
0,053
Beim Vordruck für die Variante mit Anlieferung über Druckflaschen-Trailer handelt es sich um den
mittleren Vordruck.
Der Strombedarf der Tankstellen wird mit Ausnahme der Variante mit H2-Produktion „vor Ort“ über
Elektrolyse wird durch Strom aus dem Stromnetz (0,4 kV) gedeckt. Bei der Variante mit H2-Produktion
„vor Ort“ über Elektrolyse ist die Tankstelle zusammen mit dem Elektrolyseur an das Mittelspannungsnetz (10.20 kV) angeschlossen. Erfolgt die Elektrolyse mit erneuerbarem Strom, wird auch der Strombedarf der Tankstelle mit erneuerbarem Strom gedeckt.
LCGH2-Tankstelle (70 MPa, CGH2 über Anlieferung von LH2 und Verdampfung)
Die CGH2-Tankstellen sind für die Befüllung von 70 MPa-Fahrzeugtanks ausgelegt und mit einer Anlage zur Vorkühlung ausgerüstet. Bei CGH2-Tankstellen, die mit LH2 beliefert werden, erfolgt die Vorkühlung des CGH2 aus dem Zwischenspeicher mittels der Kälte aus dem LH2-Verdampfer.
CGH2
Vorkühlung
CGH2
Pufferspeicher
70 MPa
Verdampfer
LH2
Kryopumpe
90 MPa
Quelle: LBST, basierend auf Linde, 2010
Abbildung 46:
CGH2-Tankstelle mit LH2-Anlieferung und CGH2-Vorkühlung (Quelle: LBST
basierend auf Linde 2010 und BMW)
Hierzu wird eine Kryohochdruckpumpe eingesetzt, da beim Betanken eines H2-Fahrzeugs mit 70 MPaFahrzeugtank gegen den Restdruck von theoretisch bis zu 70 MPa bei 15°C angepumpt werden muss.
85
Analog zu [JEC 2011] wird angenommen, dass die Verdampfung über einen elektrisch betriebenen
Wärmeerzeuger erfolgt. Der Energiebedarf der Kryopumpe und des Verdampfers beträgt etwa 0,051 MJ
pro MJ Wasserstoff bezogen auf den unteren Heizwert.
Der Strombedarf der Tankstellen wird durch Strom aus dem Stromnetz (0,4 kV) gedeckt.
8.3
Beschreibung der Strompfade
Im Rahmen dieses Kapitels werden die Annahmen für die einzelnen Stromerzeugungstechnologien und
Pfade beschrieben.
Entsprechend der Bilanzkonvention wird erneuerbare Stromerzeugung aus Wasserkraft, Wind und Photovoltaik (PV) mit dem Wirkungsgrad 100 % definiert.
Der Energieaufwand und die damit verbundenen Emissionen aus dem Bau von Anlagen und Fahrzeugen (z.B. für den Transport von Energieträgern) werden nicht berücksichtigt. Strom aus Wasserkraft,
Windenergie, Solarenergie und Geothermie weist daher keine Emissionen auf.
8.3.1
Strom aus Biogas
In Biogasanlagen werden in der Regel -geregelte Magermixmotoren eingesetzt. Der Methanschlupf ist
relativ hoch. Mit Ausnahme von SO2 und Staub/Partikel basieren die Emissionen auf Messungen an einem Gasmotor (GE Jenbacher J 312 GS-C221) in [LfU 2007]. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt
etwa 38 %. Die Emission von Staub, Partikeln und SO2 wurde aus [GEMIS 2011] entnommen.
Tabelle 8-12:
Strom aus Biogas
I/O
Einheit
Wert
-
kWel
526
Biogas
Input
MJ/MJel
2,611
Strom
Output
MJ
1,000
Wärme
Output
MJ/MJel
1,191
CO2
g/MJel
0 (CO2-netral)
CH4
g/MJel
0,569
N2O
g/MJel
0,004
NMVOC
g/MJel
0,063
NOx
g/MJel
0,798
SO2
g/MJel
0,065
CO
g/MJel
0,861
Staub, Partikel
g/MJel
0,004
Leistung
Emissionen
Ein Teil der Wärme aus dem Gasmotor wird zur Deckung des Wärmebedarfs des Fermenters eingesetzt.
Die Überschusswärm wird zur Bereitstellung von Wärme für Heizung und Warmwasser eingesetzt. Für
die Berechnung des Energieeinsatzes und der Emissionen wird die Überschusswärme gegen einen mit
Biogas betriebenen Wärmeerzeuger mit einem Wirkungsgrad von 90 % bilanziert. Der Strombedarf des
Fermenters wird durch Strom aus dem Gasmotor gedeckt.
Es wird ein Mix von 50 % Biogas aus dem Anbau von Energiepflanzen und 50 % aus Reststoffen (Mist,
Gülle) angenommen.
86
8.3.2
Strom aus fester Biomasse
Für die Berechnung des Energieeinsatzes und der Emissionen wurde angenommen, dass Holzhackschnitzel aus Waldenergieholz und Restholz zum Einsatz kommt. Die Stromerzeugung erfolgte in
Dampfturbinen-Kraftwerken, die im Kondensationsbetrieb und im Kraft-Wärme-Kopplungsbetrieb
(KWK-Betrieb) gefahren werden. Das im Kondensationsbetrieb gefahrene Kraftwerk basiert auf eine
Anlage mit Wirbelschichtfeuerung in Altenstadt in Bayern. Die KWK-Anlage basiert auf eine Anlage
mit Rostfeuerung in Oberpfaffenhofen/Ilm in Bayern.
Mit Ausnahme von N2O wurden die Emissionen für das Kondensationskraftwerk mit Wirbelschichtfeuerung aus [GEMIS 2011] entnommen. Für N2O werden in [GEMIS 2011] extrem hohe N2O-Emissionen
angegeben. Messungen an existierenden Anlagen mit Wirbelschichtfeuerung bestätigen diese hohen
N2O-Emissionswerte nicht. Die N2O-Emissionen wurden daher aus Messungen an existierenden Anlagen mit Wirbelschichtfeuerung in [Vitovec 1999] entnommen.
Die NOx, CO- und Staub-Emissionen für die KWK-Anlage wurden aus Angaben des Betreibers entnommen. Die CH4, N2O- und NMVOC-Emissionen für die KWK-Anlage wurden aus GEMIS entnommen.
Tabelle 8-13:
Strom aus fester Biomasse (Holzhackschnitzel)
I/O
Einheit
Kondensations-DT
KWK-DT
-
MWel
11,5
6
Input
MJ/MJel
3,125
4,45
Strom
Output
MJ
1,000
1,000
Wärme
Output
MJ/MJel
-
2,500
CO2
g/MJel
0 (CO2-neutral)
0 (CO2-neutral)
CH4
g/MJel
0,083
0,010
N2O
g/MJel
0,00625
0,00372
NMVOC
g/MJel
0,020
0,102
NOx
g/MJel
0,497
0,194
SO2
g/MJel
0,090
0,152
CO
g/MJel
0,298
0,194
Staub, Partikel
g/MJel
0,040
0,003
Leistung
Holzhackschnitzel
Emissionen
Die Wärme wird gegen ein mit Holzhackschnitzel betriebenes Heizwerk mit einem Wirkungsgrad von
85 % bilanziert.
8.3.3
Strom aus Abfall
Für die Energie- und Emissionsbilanz von Müllverbrennungsanlagen wurde auf Angaben in [GEMIS
2011] für Müllverbrennungsanlagen für den Zeithorizont 2020 zurückgegriffen. Es wird angenommen,
dass es keine weiteren Verbesserungen bis 2050 gibt. In [GEMIS 2011] wird für die CO2-Emissionen
davon ausgegangen, dass energetisch 80 % des Abfalls biogenen Ursprungs ist.
87
Tabelle 8-14:
Strom aus Abfall
I/O
Einheit
Wert
-
MWel
10
Abfall
Input
MJ/MJel
5,498
Strom
Output
MJ
1,000
CO2
g/MJel
109.9
CH4
g/MJel
0,009
N2O
g/MJel
0,003
NMVOC
g/MJel
0,031
NOx
g/MJel
0,236
SO2
g/MJel
0,016
CO
g/MJel
0,063
Staub, Partikel
g/MJel
0,004
Leistung
Emissionen
8.3.4
Strom aus Braunkohle
Der Braunkohleeinsatz und die Emissionen für die Braunkohlekraftwerke für den Zeithorizont bis 2020
wurden [GEMIS 2002] und [GEMIS 2011] entnommen. Die technischen Daten für das mit Braunkohle
betriebene Heizkraftwerk mit Wirbelschichtfeuerung wurden [GEMIS 2002] entnommen. Die N2OEmissionen für das Heizkraftwerk mit Wirbelschichtfeuerung erscheinen sehr hoch (0,546 g
N2O/kWhel). Daher wurde auf Daten im [Vitovec 1999] zurückgegriffen (14 g/GJ Braunkohle bzw.
0,187 g N2O/kWh Strom), die auf Messungen in existierenden Anlagen basieren. Der Anteil der Braunkohle-HKW am gesamten Strommix ist jedoch gering.
Die technischen Daten für das Braunkohlekraftwerk für den Zeithorizont ab 2030 wurden aus Angaben
für das BoA Niederaußem in [Iven 2006] entnommen. Der CaCO3-Bedarf und die aus der Entschwefelung resultierenden CO2-Emissionen wurden aus Daten in [Ecoinvent 2007] abgeleitet. Die Zusammensetzung der Braunkohle wurde aus [GEMIS 2011] entnommen.
88
Tabelle 8-15:
Strom aus Braunkohle
I/O
Einheit
Rhein
2020
Rhein
2030+
Lausitz
2020
Lausitz
2030+
HKW
-
MWel
600
980
800
980
50
Braunkohle
Input
MJ/MJel
2,646
2,217
2,439
2,217
3,704
CaCO3
Input
kg/MJel
Strom
Output
MJ
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
Wärme
Output
MJ/MJel
-
-
-
-
2,222
CO2
g/MJel
306,3
256,0
278,9
257,6
345,8
CH4
g/MJel
0,004
N2O
g/MJel
0,008
NMVOC
g/MJel
0,004
NOx
g/MJel
0,213
0,132
0,196
0,132
0,322
SO2
g/MJel
0,116
0,098
0,197
0,098
0,283
CO
g/MJel
0,055
0,015
0,051
0,015
0,214
Staub, Partikel
g/MJel
0,028
0,010
0,025
0,010
0,027
Leistung
0,00544
0,00187
Emissionen
0,004
0,008
0,008
0,006
0,008
0,004
0,052
0,006
Der Braunkohleinput wird mit den vorgelagerten Prozessen zur Bereitstellung von Braunkohle verknüpft.
Die Wärme aus dem Heizkraftwerk (HKW) wird gegen ein mit Erdgas betriebenes Heizwerk mit einem
Wirkungsgrad von 90 % bilanziert.
8.3.5
Strom aus Steinkohle
Der Energieeinsatz und die Emissionen für das Steinkohlekraftwerk wurden aus [JEC 2011] entnommen. Der Energieeinsatz für das mit Steinkohle betriebene Heizkraftwerk (HKW) wurde aus [TAB
1999] entnommen, die Emissionen aus [GEMIS 2011].
89
Tabelle 8-16:
Strom aus Steinkohle
I/O
Einheit
KW
HKW
-
MWel
600
120
Input
MJ/MJel
2,229
3,030
Strom
Output
MJ
1,000
1,000
Wärme
Output
MJ/MJel
-
1,606
CO2
g/MJel
220,8
282,8
CH4
g/MJel
0,004
0,005
N2O
g/MJel
0,011
0,015
NMVOC
g/MJel
0,004
0,005
NOx
g/MJel
0,109
0,097
SO2
g/MJel
0,084
0,187
CO
g/MJel
0,041
0,054
Staub, Partikel
g/MJel
0,004
0,007
Leistung
Steinkohle
Emissionen
Der Steinkohleinput wird mit den vorgelagerten Prozessen zur Bereitstellung von Steinkohle verknüpft.
Für den Energieeinsatz und die Emissionen für die Bereitstellung von Steinkohle wurden die gleichen
Die Wärme aus dem Heizkraftwerk (HKW) wird gegen ein mit Erdgas betriebenes Heizwerk mit einem
Wirkungsgrad von 90 % bilanziert.
8.3.6
Strom aus Schweröl
Der Energieeinsatz und die Emissionen für das mit Schweröl betriebene Kraftwerk wurden [GEMIS
2002] entnommen. Schwerölkraftwerke werden nicht mehr gebaut. Daher ist auch keine Verbesserung
beim Wirkungsgrad und den Emissionen zu erwarten.
90
Tabelle 8-17:
Strom aus Schweröl
I/O
Einheit
Wert
Leistung
-
MWel
450
Schweröl
Input
MJ/MJel
2,399
Output
MJ
1,000
CO2
g/MJel
187,9
CH4
g/MJel
0,007
N2O
g/MJel
0,007
NMVOC
g/MJel
0,007
NOx
g/MJel
0,104
SO2
g/MJel
0,212
CO
g/MJel
0,069
Staub, Partikel
g/MJel
0,010
Strom
Emissionen
Der Schwerölinput wird mit den vorgelagerten Prozessen zur Bereitstellung von Schweröl verknüpft.
Für den Energieeinsatz und die Emissionen für die Bereitstellung von Schweröl wurden die gleichen
8.3.7
Strom aus Erdgas
Neu errichtete große Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerken (GuD-Kraftwerken) erreichen einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu etwa 60 %. Der mittlere elektrische Wirkungsgrad aller GuDKraftwerke, die in Betrieb sind, dürfte aber darunter liegen. Für den Energieeinsatz und die Emissionen
für den Mix aus GuD-Kraftwerken in 2020 wurde auf Daten in [GEMIS 2012] zurückgegriffen. Der
elektrische Wirkungsgrad wurde mit 55 % angenommen. Für den Zeithorizont ab 2030 wurde ein mittlerer Wirkungsgrad von 58,5 % angenommen auf Basis von Angaben in [TAB 1999].
Beim Gasturbinen-Kraftwerk (GT-Kraftwerk) und mit Erdgas betriebenem Dampfturbinenkraftwerk
(DT-Kraftwerk) wurde auf Daten in [GEMIS 2011] zurückgegriffen. Die technischen Daten für das
GuD- und GT-Heizkraftwerk sowie das BHKW (mit -1 geregelter 3-Wege-Katalysator) wurden
[TAB 1999] entnommen. Die CH4- und N2O-Emissionen für das GuD-Heizkraftwerk und das BHKW
wurden [GEMIS 2011] entnommen.
Der Erdgasinput wird mit den vorgelagerten Prozessen zur Bereitstellung von Erdgas verknüpft. Für den
Energieeinsatz und die Emissionen für die Erdgasbereitstellung wurden die gleichen Annahmen getroffen wie in [JEC 2011].
Die Wärme aus den Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen wird gegen ein mit Erdgas betriebenes Heizwerk
mit einem Wirkungsgrad von 90 % bilanziert.
91
Tabelle 8-18:
Strom aus Erdgas
I/O
Einheit
GuD
2020
GuD
2030+
GT
DT
GuDHKW
GTHKW
BHKW
-
MWel
450
600
150
450
87
5
0,4
Erdgas
Input
MJ/MJel
1,818
1,709
3,030
2,353
2,247
3,448
2,740
Strom
Output
MJ
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
Wärme
Output
MJ/MJel
-
-
-
-
0,978
1,880
1,397
CO2
g/MJel
102,5
96,4
166,7
129,8
124.7
189,7
152,2
CH4
g/MJel
0,008
0,007
0,025
0,006
0,009
0,009
N2O
g/MJel
0,005
0,004
0,008
0,003
0,006
0,003
NMVOC
g/MJel
0,008
0,004
0,127
0,006
0,005
0,001
0,066
NOx
g/MJel
0,153
0,051
1,272
0,132
0,153
0,434
0,216
SO2
g/MJel
0,001
0,001
0,001
0,001
0,001
0,002
0,001
CO
g/MJel
0,153
0,017
0,203
0,033
0,022
0,145
0,279
Staub, Partikel
g/MJel
0,001
0,000
0,013
0,000
0,001
0,001
0,004
Leistung
Emissionen
8.3.8
Strom aus Kernenergie
Der elektrische Wirkungsgrad des Kernkraftwerks beträgt 33 % bezogen auf der durch die Kernspaltung
freigesetzten Wärme. Zusätzlich werden nach [GEMIS 2011] noch etwa 0,001 MJ mechanische Arbeit
pro MJ Strom benötigt, die durch einen Dieselmotor mit einem Wirkungsgrad von 30 % bereitgestellt
wird (vermutlich für den Betrieb von Pumpen während Wartungsarbeiten und Betriebsstörungen).
Die Bereitstellung des Kernbrennstoffs beinhaltet die Urangewinnung (Förderung und Erzaufbereitung),
den Transport des U3O8 nach Europa, die Konversion zu UF6, die Anreicherung und die
Brennelementefertigung. Für die Bereitstellung des Kernbrennstoffs wurde auf Daten in [GEMIS 2011]
zurückgegriffen.
8.3.9
Stromtransport und Verteilung
Tabelle 8-19 zeigt die Wirkungsgrade für Stromtransport und -verteilung über die verschiedenen Spannungsebenen. Die Daten stammen von Betreibern von Übertragungs- und Verteilnetzen.
Tabelle 8-19:
Wirkungsrade Stromtransport- und Verteilung in Deutschland
Jeweilige Netzebene [%]
Kumuliert [%]
Höchst- und Hochspannungsnetz (≥110 kV)
99,5
99,5
Mittelspannungsnetz (10-20 kV)
98,8
98,3
Niederspannungsnetz (0,4 kV)
96,8
95,2
Batterieelektrische Fahrzeuge werden auf Niederspannungsebene aufgeladen. Das gilt auch für die
Schnellladung (z.B. innerhalb von 15 Minuten) mit speziellen Ladegeräten, die eine Leistungsaufnahme
von bis zu 100 kW aufweisen.
92

Überleitung der Ergebnisse aus GermanHy in das

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